Fotonik kristall. Oddiy kristallardan fotonik kristallarga qadar fotonik kristallarning elektrokimyosi
Fotonik kristallarni ishlab chiqarish usullarining tasnifi. Tabiatdagi fotonik kristallar kamdan-kam uchraydi. Ular yorug'likning maxsus iridescent o'yinlari bilan ajralib turadi - irizatsiya deb ataladigan optik hodisa (yunonchadan tarjima qilingan - kamalak). Bu minerallar orasida kaltsit, labradorit va opal SiO 2 ×n∙H 2 O turli qoʻshimchalar mavjud. Ular orasida eng mashhuri opal - yarim qimmatbaho mineral bo'lib, u monodispers sferik kremniy oksidi globullaridan tashkil topgan kolloid kristalldir. Ikkinchisida yorug'lik o'yinlaridan opalessensiya atamasi keladi, bu faqat ushbu kristal uchun radiatsiya tarqalishining maxsus turini bildiradi.
Fotonik kristallarni ishlab chiqarishning asosiy usullari uchta guruhga bo'linadigan usullarni o'z ichiga oladi:
1. Fotonik kristallarning o'z-o'zidan hosil bo'lishidan foydalanish usullari. Ushbu usullar guruhi monodispers silikon yoki polistirol zarralari kabi kolloid zarralar, shuningdek, boshqa materiallardan foydalanadi. Bug'lanish paytida suyuq bug'da bo'lgan bunday zarralar ma'lum hajmda cho'kadi. Zarrachalar bir-birining ustiga joylashar ekan, ular uch o'lchamli fotonik kristall hosil qiladi va asosan yuz markazlashtirilgan yoki olti burchakli kristall panjarada tartibga solinadi. Ko'plab chuqurchalar usuli ham mumkin, bu zarrachalar joylashgan suyuqlikni kichik sporlar orqali filtrlashga asoslangan. Ko'plab chuqurchalar usuli gözenekler orqali suyuqlik oqimining tezligi bilan belgilanadigan nisbatan yuqori tezlikda kristal hosil qilish imkonini beradi, ammo quritish paytida bunday kristallarda nuqsonlar hosil bo'ladi. Fotonik kristallarning o'z-o'zidan paydo bo'lishidan foydalanadigan boshqa usullar mavjud, ammo har bir usulning o'ziga xos afzalliklari va kamchiliklari mavjud. Ko'pincha, bu usullar sferik kolloid silikon zarralarini yotqizish uchun ishlatiladi, ammo natijada olingan sinishi ko'rsatkichi nisbatan kichikdir.
2. Ob'ektni o'ymakdan foydalanish usullari. Ushbu usullar guruhi yarimo'tkazgich yuzasida hosil bo'lgan fotorezist niqobni qo'llaydi, bu esa etching hududining geometriyasini belgilaydi. Bunday niqob yordamida eng oddiy fotonik kristall fotorezist bilan qoplanmagan yarimo'tkazgichning sirtini o'yib ishlangan holda hosil bo'ladi. Ushbu usulning kamchiliklari o'nlab va yuzlab nanometrlar darajasida yuqori aniqlikdagi fotolitografiyadan foydalanish zarurati hisoblanadi. Bundan tashqari, Ga kabi fokuslangan ionlarning nurlari fotonik kristallarni qirqish orqali hosil qilish uchun ishlatiladi. Bunday ion nurlari materialning bir qismini fotolitografiya va qo'shimcha etchingdan foydalanmasdan olib tashlashga imkon beradi. Oshlama tezligini oshirish va uning sifatini yaxshilash, shuningdek, o'yilgan joylarga materiallarni joylashtirish uchun zarur gazlar bilan qo'shimcha ishlov berish qo'llaniladi.
3. Golografik usullar. Bunday usullar golografiya tamoyillarini qo'llashga asoslangan. Golografiya yordamida fazoviy yo'nalishlarda sinishi ko'rsatkichining davriy o'zgarishlari shakllanadi. Buning uchun elektromagnit nurlanish intensivligining davriy taqsimlanishini yaratadigan ikki yoki undan ortiq kogerent to'lqinlarning aralashuvidan foydalaning. Bir o'lchovli fotonik kristallar ikki to'lqinning aralashuvi natijasida hosil bo'ladi. Ikki o'lchovli va uch o'lchovli fotonik kristallar uch yoki undan ortiq to'lqinlarning aralashuvi natijasida hosil bo'ladi.
Fotonik kristallarni ishlab chiqarishning o'ziga xos usulini tanlash, asosan, strukturaning qaysi o'lchamda - bir o'lchovli, ikki o'lchovli yoki uch o'lchamli ishlab chiqarilishi kerakligi bilan belgilanadi.
Bir o'lchovli davriy tuzilmalar. Bir o'lchovli davriy tuzilmalarni olishning eng oddiy va eng keng tarqalgan usuli - bu dielektrik yoki yarim o'tkazgichli materiallardan polikristal plyonkalarni vakuumli qatlam bilan qatlamga joylashtirishdir. Ushbu usul lazerli nometall va interferentsiya filtrlarini ishlab chiqarishda davriy tuzilmalardan foydalanish bilan bog'liq holda keng tarqaldi. Bunday tuzilmalarda sinishi ko'rsatkichlari taxminan 2 baravar farq qiluvchi materiallardan foydalanilganda (masalan, ZnSe va Na 3 AlF 6) kengligi 300 nm gacha bo'lgan spektral aks ettirish zonalarini (fotonik tarmoqli bo'shliqlari) yaratish mumkin bo'ladi. spektrning butun ko'rinadigan hududi.
So'nggi o'n yilliklarda yarimo'tkazgichli heterostrukturalar sintezidagi yutuqlar molekulyar nur epitaksisi yoki organometalik birikmalar yordamida bug 'cho'kmasi yordamida o'sish yo'nalishi bo'yicha sinishi indeksining davriy o'zgarishi bilan butunlay bir kristalli tuzilmalarni yaratishga imkon beradi. Hozirgi vaqtda bunday tuzilmalar vertikal bo'shliqlarga ega yarimo'tkazgichli lazerlarning bir qismidir. Hozirgi vaqtda materiallarning sindirish ko'rsatkichlarining erishish mumkin bo'lgan maksimal nisbati, ko'rinishidan, GaAs / Al 2 O 3 juftligiga to'g'ri keladi va taxminan 2 ni tashkil qiladi. Bunday nometalllarning kristall tuzilishining yuqori mukammalligini va ularni shakllantirishning aniqligini ta'kidlash kerak. qatlam qalinligi bir panjara davri darajasida (taxminan 0,5 nm).
So'nggi paytlarda fotolitografik niqob va selektiv etching yordamida davriy bir o'lchovli yarimo'tkazgichli tuzilmalarni yaratish imkoniyati ko'rsatildi. Kremniyni ishqalashda 1 mkm yoki undan ko'proq vaqt oralig'ida tuzilmalarni yaratish mumkin, shu bilan birga kremniy va havoning sinishi ko'rsatkichlarining nisbati yaqin infraqizil mintaqada 3,4 ni tashkil qiladi, bu misli ko'rilmagan yuqori qiymatga boshqa sintez usullari bilan erishib bo'lmaydi. . Fizika-texnika institutida olingan shunga o'xshash tuzilishga misol. A. F. Ioffe RAS (Sankt-Peterburg), shaklda ko'rsatilgan. 3.96.
Guruch. 3.96. Fotolitografik niqob yordamida anizotrop qirqish orqali olingan kremniy-havo davriy tuzilishi (tuzilma davri 8 mkm)
Ikki o'lchovli davriy tuzilmalar. Ikki o'lchovli davriy tuzilmalar yarimo'tkazgichlar, metallar va dielektriklarni tanlab qirqish yordamida tayyorlanishi mumkin. Ushbu materiallardan mikroelektronikada keng qo'llanilishi tufayli kremniy va alyuminiy uchun selektiv qirqish texnologiyasi ishlab chiqilgan. Masalan, gözenekli kremniy yuqori darajadagi integratsiyalashgan optoelektronik tizimlarni yaratishga imkon beradigan istiqbolli optik material hisoblanadi. Ilg'or kremniy texnologiyalarining kvant o'lchamli effektlari va fotonik tarmoqli bo'shliqlarini shakllantirish tamoyillari bilan uyg'unligi yangi yo'nalish - kremniy fotonikasining rivojlanishiga olib keldi.
Niqoblarni shakllantirish uchun submikronli litografiyadan foydalanish 300 nm yoki undan kamroq muddatga ega kremniy tuzilmalarini yaratishga imkon beradi. Ko'rinadigan nurlanishning kuchli yutilishi tufayli kremniy fotonik kristallari faqat spektrning yaqin va o'rta infraqizil hududlarida ishlatilishi mumkin. Oylash va oksidlanishning kombinatsiyasi, qoida tariqasida, davriy kremniy oksidi-havo tuzilmalariga o'tishga imkon beradi, ammo shu bilan birga, past sinishi indeksi nisbati (komponent 1.45) to'liq tarmoqli bo'shliqni shakllantirishga imkon bermaydi. ikki o'lchovda.
A 3 B 5 yarimo'tkazgichli birikmalarining ikki o'lchovli davriy tuzilmalari, shuningdek, litografik niqoblar yoki shablonlardan foydalangan holda selektiv qirqish yo'li bilan olinadi. A 3 B 5 birikmalari zamonaviy optoelektronikaning asosiy materiallari hisoblanadi. InP va GaAs birikmalari kremniyga qaraganda kattaroq tarmoqli bo'shlig'iga va kremniy kabi yuqori sinishi indeksiga ega, mos ravishda 3,55 va 3,6 ga teng.
Alyuminiy oksidi asosidagi davriy tuzilmalar juda qiziq (3.97a-rasm). Ular metall alyuminiyning elektrokimyoviy qirqish yo'li bilan olinadi, uning yuzasida litografiya yordamida niqob hosil bo'ladi. Elektron litografik shablonlardan foydalanib, g'ovak diametri 100 nm dan kam bo'lgan chuqurchalarga o'xshash mukammal ikki o'lchovli davriy tuzilmalar olindi. Shuni ta'kidlash kerakki, alyuminiyning ma'lum bir kombinatsiyasi sharoitida selektiv qirqish hech qanday niqob yoki shablonlardan foydalanmasdan ham muntazam tuzilmalarni olish imkonini beradi (3.97-rasm). Bunday holda, g'ovak diametri faqat bir necha nanometr bo'lishi mumkin, bu zamonaviy litografik usullar uchun erishib bo'lmaydi. Teshiklarning davriyligi elektrokimyoviy reaktsiya jarayonida alyuminiy oksidlanish jarayonining o'zini o'zi boshqarishi bilan bog'liq. Reaksiya paytida dastlabki o'tkazuvchan material (alyuminiy) Al 2 O 3 ga oksidlanadi. Dielektrik bo'lgan alyuminiy oksidi plyonkasi oqimni pasaytiradi va reaktsiyani sekinlashtiradi. Ushbu jarayonlarning kombinatsiyasi o'z-o'zini ta'minlaydigan reaktsiya rejimiga erishishga imkon beradi, bunda uzluksiz etching oqimning gözenekler orqali o'tishi bilan amalga oshiriladi va reaktsiya mahsuloti muntazam chuqurchalar tuzilishini hosil qiladi. Teshiklarning ba'zi tartibsizliklari (3.97b-rasm) asl polikristal alyuminiy plyonkaning granüler tuzilishiga bog'liq.
Guruch. 3.97. Al 2 O 3 ning ikki o'lchovli fotonik kristalli: a) litografik niqob yordamida qilingan; b) oksidlanish jarayonini o'z-o'zini tartibga solish yordamida amalga oshiriladi
Nano gözenekli aluminaning optik xususiyatlarini o'rganish bu materialning g'ovak yo'nalishi bo'yicha g'ayrioddiy yuqori shaffofligini ko'rsatdi. Ikki uzluksiz vosita o'rtasidagi interfeysda muqarrar ravishda mavjud bo'lgan Fresnel aksining yo'qligi o'tkazuvchanlik qiymatlarining 98% ga etishiga olib keladi. Teshiklarga perpendikulyar yo'nalishlarda, tushish burchagiga qarab ko'zgu koeffitsienti bilan yuqori ko'zgu kuzatiladi.
Alyuminiy oksidi o'tkazuvchanligining nisbatan past qiymatlari, kremniy, galliy arsenid va indiy fosfididan farqli o'laroq, ikki o'lchovda to'liq tarmoqli bo'shliqni shakllantirishga imkon bermaydi. Biroq, shunga qaramay, gözenekli aluminaning optik xususiyatlari juda qiziq. Masalan, u aniq anizotropik yorug'lik tarqalishiga, shuningdek, qutblanish tekisligini aylantirish uchun foydalanishga imkon beruvchi ikki sinuvchanlikka ega. Turli xil kimyoviy usullardan foydalanib, teshiklarni turli oksidlar, shuningdek, optik faol materiallar, masalan, chiziqli bo'lmagan optik vositalar, organik va noorganik luminoforlar, elektrolyuminestsent birikmalar bilan to'ldirish mumkin.
Uch o'lchovli davriy tuzilmalar. Uch o'lchovli davriy tuzilmalar eksperimental amalga oshirish uchun eng katta texnologik qiyinchiliklarga ega bo'lgan ob'ektlardir. Tarixiy jihatdan uch o'lchamli fotonik kristall yaratishning birinchi usuli sifatida E. Yablonovich tomonidan taklif qilingan material hajmida silindrsimon teshiklarni mexanik burg'ulashga asoslangan usul hisoblanadi. Bunday uch o'lchovli davriy tuzilmani yaratish juda mashaqqatli ishdir, shuning uchun ko'plab tadqiqotchilar boshqa usullar bilan fotonik kristall yaratishga harakat qilishdi. Shunday qilib, Lin-Fleming usulida silikon dioksid qatlami silikon substratga qo'llaniladi, unda parallel chiziqlar hosil bo'lib, polikristalli kremniy bilan to'ldiriladi. Keyinchalik, kremniy dioksidini qo'llash jarayoni takrorlanadi, ammo chiziqlar perpendikulyar yo'nalishda hosil bo'ladi. Kerakli miqdordagi qatlamlarni yaratgandan so'ng, silikon oksidi etching orqali chiqariladi. Natijada, polisilikon tayoqchalarning "yog'och to'plami" hosil bo'ladi (3.98-rasm). Shuni ta'kidlash kerakki, submikronli elektron litografiya va anizotrop ionlarni yotqizishning zamonaviy usullaridan foydalanish qalinligi 10 dan kam strukturaviy hujayralar bo'lgan fotonik kristallarni olish imkonini beradi.
Guruch. 3.98. Polisilikon tayoqlardan 3D fotonik tuzilma
O'z-o'zini tashkil etuvchi tuzilmalardan foydalanishga asoslangan ko'rinadigan diapazon uchun fotonik kristallarni yaratish usullari keng tarqaldi. Fotonik kristallarni globullardan (to'plardan) "yig'ish" g'oyasi tabiatdan olingan. Ma'lumki, masalan, tabiiy opallar fotonik kristallarning xususiyatlariga ega. Kimyoviy tarkibiga ko'ra, tabiiy mineral opal silikon dioksid gidrogel SiO 2 × H 2 O bo'lib, o'zgaruvchan suv tarkibiga ega: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H 2 O - 4,5-20%; Al 2 O 3 - 9% gacha; Fe 2 O 3 - 3% gacha; TiO 2 - 5% gacha. Elektron mikroskop yordamida tabiiy opallar a-SiO 2 ning bir xil o'lchamdagi, diametri 150-450 nm bo'lgan bir-biriga yaqin joylashgan sharsimon zarrachalaridan hosil bo'lishi aniqlandi. Har bir zarracha diametri 5-50 nm bo'lgan kichikroq globulyar shakllanishlardan iborat. Globul o'rash bo'shliqlari amorf kremniy oksidi bilan to'ldirilgan. Difraksiyalangan yorug'likning intensivligiga ikki omil ta'sir qiladi: birinchisi - globullarning "ideal" zich o'rashi, ikkinchisi - amorf va kristall oksidi SiO 2 sinishi ko'rsatkichlaridagi farq. Noble qora opallar yorug'likning eng yaxshi o'yiniga ega (ular uchun sinishi indeks qiymatlaridagi farq ~ 0,02).
Kolloid zarrachalardan globulyar fotonik kristallarni turli usullar bilan hosil qilish mumkin: tabiiy cho'kish (gravitatsiya maydoni yoki markazdan qochma kuchlar ta'sirida suyuqlik yoki gazda dispers fazaning cho'kishi), markazdan qochma, membranalar yordamida filtrlash, elektroforez va boshqalar. Sferik zarralar kolloid zarrachalar polistirol, polimetil metakrilat, kremniy dioksidi a-SiO 2 zarralari sifatida ishlaydi.
Tabiiy yog'ingarchilik usuli juda sekin jarayon bo'lib, bir necha hafta yoki hatto oylarni talab qiladi. Santrifüjlash ko'p jihatdan kolloid kristallarning hosil bo'lish jarayonini tezlashtiradi, ammo shu tarzda olingan materiallar kamroq tartiblangan, chunki yuqori cho'kish tezligida zarrachalarni o'lchamlari bo'yicha ajratish vaqti bo'lmaydi. Cho'kish jarayonini tezlashtirish uchun elektroforez qo'llaniladi: vertikal elektr maydoni yaratiladi, bu zarrachalarning og'irligini ularning o'lchamiga qarab "o'zgartiradi". Kapillyar kuchlardan foydalanishga asoslangan usullar ham qo'llaniladi. Asosiy g'oya shundan iboratki, kapillyar kuchlar ta'sirida vertikal substrat va suspenziya o'rtasidagi menisk chegarasida kristallanish sodir bo'ladi va erituvchi bug'langanda nozik tartibli struktura hosil bo'ladi. Bundan tashqari, vertikal harorat gradienti qo'llaniladi, bu konveksiya oqimlari tufayli jarayonning tezligini va yaratilgan kristalning sifatini yaxshiroq optimallashtirishga imkon beradi. Umuman olganda, texnikani tanlash hosil bo'lgan kristallarning sifatiga qo'yiladigan talablar va ularni ishlab chiqarishga sarflangan vaqt bilan belgilanadi.
Tabiiy sedimentatsiya yo'li bilan sintetik opallarni etishtirishning texnologik jarayonini bir necha bosqichlarga bo'lish mumkin. Dastlab, sferik kremniy oksidi globullarining monodispers (diametri ~ 5% og'ish) suspenziyasi tayyorlanadi. O'rtacha zarracha diametri keng diapazonda o'zgarishi mumkin: 200 dan 1000 nm gacha. Monodispersli kolloid kremniy dioksid mikrozarrachalarini olishning eng mashhur usuli tetraetoksisilan Si(C 2 H 4 OH) 4 ni katalizator sifatida ammoniy gidroksid ishtirokida suv-spirtli muhitda gidrolizlanishiga asoslangan. Bu usul deyarli ideal sferik shakldagi silliq sirtli monodisperslik darajasi yuqori bo'lgan (diametri 3% dan kam og'ish) zarrachalarni olish uchun, shuningdek tor o'lchamdagi taqsimot bilan o'lchamlari 200 nm dan kam bo'lgan zarralarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. . Bunday zarrachalarning ichki tuzilishi fraktaldir: zarralar bir-biriga yaqin joylashgan kichikroq sharlardan (diametri bir necha oʻnlab nanometr) iborat va har bir bunday shar 10–100 atomdan iborat kremniy poligidrokso komplekslaridan hosil boʻladi.
Keyingi bosqich - zarrachalarning cho'kishi (3.99-rasm). Bir necha oy davom etishi mumkin. Cho'kish bosqichi tugagandan so'ng, zich o'ralgan davriy tuzilma hosil bo'ladi. Keyinchalik, cho'kma taxminan 600 ºS haroratda quritiladi va tavlanadi. Yuvish jarayonida sharlar yumshatiladi va aloqa joylarida deformatsiyalanadi. Natijada, sintetik opallarning g'ovakliligi ideal zich sharsimon o'rashga qaraganda kamroq. Fotonik kristall o'sish o'qi yo'nalishiga perpendikulyar bo'lgan globulalar juda tartibli olti burchakli yaqin o'ralgan qatlamlarni hosil qiladi.
Guruch. 3.99. Sintetik opallarni o'stirish bosqichlari: a) zarrachalarni cho'ktirish;
b) cho'kmani quritish; c) namunani yumshatish
Shaklda. 3.100a da skanerlash elektron mikroskop yordamida olingan sintetik opalning mikrografi ko'rsatilgan. Sharlarning o'lchamlari 855 nm. Sintetik opallarda ochiq g'ovaklikning mavjudligi bo'shliqlarni turli materiallar bilan to'ldirishga imkon beradi. Opal matritsalar bir-biriga bog'langan nano o'lchamdagi g'ovaklarning uch o'lchovli pastki panjaralaridir. G'ovak o'lchamlari yuzlab nanometrlarga teng va teshiklarni bog'laydigan kanallarning o'lchamlari o'nlab nanometrlarga etadi. Shu tarzda fotonik kristallar asosidagi nanokompozitlar olinadi. Yuqori sifatli nanokompozitlarni yaratishda ilgari surilgan asosiy talab nanog'ovak bo'shliqni to'liq to'ldirishdir. To'ldirish turli usullar bilan amalga oshiriladi: eritmadagi eritmadan kiritish; konsentrlangan eritmalar bilan singdirish, so'ngra erituvchining bug'lanishi; elektrokimyoviy usullar, kimyoviy bug'larni cho'ktirish va boshqalar.
Guruch. 3.100. Fotonik kristallarning fotomikrograflari: a) sintetik opaldan;
b) polistirol mikrosferalaridan
Bunday kompozitsiyalardan kremniy oksidini tanlab qirqish natijasida teskari yoki teskari opallar deb ataladigan yuqori g'ovaklikka ega (hajmning 74% dan ko'prog'i) fazoda tartiblangan nanostrukturalar hosil bo'ladi. Fotonik kristallarni olishning bunday usuli shablon usuli deb ataladi. Fotonik kristallni tashkil etuvchi tartiblangan monodispers kolloid zarralar sifatida nafaqat kremniy oksidi zarralari, balki, masalan, polimer zarralari ham harakat qilishi mumkin. Polistirol mikrosferalariga asoslangan fotonik kristallning namunasi shaklda ko'rsatilgan. 3.100b
Fotodiodlarning rezonatorga qo'shilishining qutbliligiga qarab, yorug'lik kuchayishi bilan javobning chastotali siljishi chastotada yuqoriga yoki pastga sodir bo'lishi ko'rsatilgan. O'rganilayotgan rezonatorlarning yorug'lik qiymatiga sezgirligini oshirish uchun birlashtirilgan halqali rezonatorlar tizimini qo'llash taklif etiladi. Birlashtirilgan rezonatorlar orasidagi qat'iy masofa uchun tizim reaktsiyasining chastotali bo'linishi yorug'lik yordamida juft (yorqin) va toq (qorong'i) rejimlarga sodir bo'lishi ko'rsatilgan. Ishonchimiz komilki, sozlanishi mumkin bo'lgan halqa rezonatorlarini yaratish uchun taklif qilingan usul yorug'lik bilan boshqariladigan metamateriallarning yangi sinfini yaratishga imkon beradi.
Bu ish Rossiya Federatsiyasi Ta'lim vazirligi (14.V37.21.1176 va 14.V37.21.1283-sonli kelishuvlar), Dynasty Foundation, RFBR Foundation (loyiha № 13-02-00411) tomonidan qo'llab-quvvatlandi. va 2012 yilda yosh olimlar va aspirantlar uchun Rossiya Federatsiyasi Prezidentining stipendiyasi.
Adabiyot
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Chjou J., Koschny T., Soukoulis C.M. 100 Terahertzdagi metamateriallarning magnit reaktsiyasi // Fan. - 2004. - V. 306. - B. 1351-1353.
2. Shelbi R., Smit D.R. va Shults S. Sinishining salbiy ko'rsatkichini eksperimental tekshirish // Fan. - 2001. - V. 292. - B. 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 fotonik metamateriali keng polosali dairesel polarizator sifatida // Fan. - 2009. - V. 325. - B. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Kanalizatsiya rejimida ishlaydigan davriy qatlamli metall-dielektrik strukturasi tomonidan tashkil etilgan uzatish moslamasi yordamida optik chastotalarda pastki to'lqin uzunligini tasvirlash // Fizikaviy ko'rib chiqish B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optik konformal xaritalash // Fan. - 2006. - V. 312. - B. 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Sozlanadigan va chiziqli bo'lmagan metamateriallar // Axborot texnologiyalari, mexanika va optikaning ilmiy-texnik byulleteni. - 2012. - 3-son (79). - C. 1-10.
7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. va Kivshar Yu.S. Chiziqli bo'lmagan salbiy indeksli metamateriallar uchun sozlanishi mumkin bo'lgan split-ring rezonatorlar // Opt. ifodalash. - 2006. - V. 14. - B. 9344-9349.
8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Shadrivov I.V., Voroshilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. va Kivshar Y.S. Yorug'lik bilan ajratilgan halqali rezonatorlarni boshqarish // Amaliy fizika harflari. - V. 99. - B. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. va Sorolla M. Salbiy parametrlarga ega metamateriallar: nazariya, dizayn va mikroto'lqinli ilovalar. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.
Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Sankt-Peterburg milliy tadqiqot universiteti
Axborot texnologiyalari, mexanika va optika, texnika fanlari nomzodi, ilmiy xodim, [elektron pochta himoyalangan], [elektron pochta himoyalangan]
Belov Pavel Aleksandrovich - Sankt-Peterburg milliy tadqiqot universiteti
Axborot texnologiyalari, mexanika va optika, fizika-matematika fanlari doktori. fanlar, bosh ilmiy xodim, [elektron pochta himoyalangan]
TERAHERTZ diapazoni uchun QATATLARNING KO'P KO'P OPTIK UZINLIKLI FOTONIK KRISTALLARNING BANTLI TUZILISHINI TAHLILI.
OH. Denisultanov, M.K. Xodzitskiy
Cheksiz fotonik kristall uchun dispersiya tenglamasidan ikki qavatdagi bir nechta optik qatlam uzunliklariga ega bo'lgan fotonik kristallarning tarmoqli oralig'i chegaralarini, tarmoqli bo'shlig'ining kengligini va tarmoqli bo'shliq markazlarining aniq holatini aniq hisoblash uchun formulalar olinadi. 0,1 dan 1 TGts gacha bo'lgan terahertz chastota diapazoni uchun hujayra. Formulalar fotonik kristallarni raqamli simulyatsiya qilishda uzatish matritsasi usuli va fotonik kristalning ikki qatlamli hujayradagi birinchi, ikkinchi va uchinchi optik uzunlik ko'pligi uchun vaqt domenining chekli farqlari usuli bilan tasdiqlangan. Ikkinchi ko'plik uchun formulalar eksperimental tarzda tasdiqlangan. Kalit so'zlar: fotonik kristall, tarmoqli bo'shlig'i, kesish chastotalari, ko'p optik uzunliklar, uzatish matritsasi, metamaterial.
Kirish
So'nggi yillarda g'ayrioddiy xususiyatlarga ega sun'iy muhitni o'rganish ("metamateriallar") olimlar va muhandislarning juda katta doirasini qiziqtirdi, bu esa ushbu ommaviy axborot vositalaridan sanoat va harbiy sanoatni rivojlantirishda istiqbolli foydalanish bilan bog'liq. yangi turdagi filtrlar, faza o'zgartirgichlar, superlinzalar, niqobli qoplamalar va boshqalar. .d. . Metamateriallarning turlaridan biri bu fotonik kristall bo'lib, u davriy qatlamli strukturadir.
chang'i o'zgaruvchan sinishi indeksi. Fotonik kristallar (ShK) spektrda tarmoqli strukturaning mavjudligi, o'ta aniqlik, superprizma effekti va boshqalar kabi noyob xususiyatlari tufayli lazer texnologiyalarida, aloqa vositalarida, filtrlashda faol qo'llaniladi. . Yangi turdagi materiallar va biologik ob'ektlarni spektroskopik, tomografik tadqiqotlar uchun teragerts (THz) diapazonidagi fotonik kristallarni o'rganish alohida qiziqish uyg'otadi. Tadqiqotchilar allaqachon THz chastota diapazoni uchun ikki o'lchovli va uch o'lchovli shaxsiy kompyuterlarni ishlab chiqdilar va ularning xususiyatlarini o'rgandilar, ammo, afsuski, hozirgi vaqtda fotonik kristallning tarmoqli strukturasi xususiyatlarini hisoblash uchun aniq formulalar mavjud emas, masalan. tarmoqli bo'shlig'i, tarmoqli bo'shliq markazi, tarmoqli bo'shliq chegaralari. Ushbu ishning maqsadi ikki qavatli ShK xujayrasidagi birinchi, ikkinchi va uchinchi optik uzunlik ko'pligi uchun bir o'lchovli fotonik kristalning xususiyatlarini hisoblash uchun formulalarni olish va uzatish matritsasidan foydalangan holda raqamli simulyatsiya yordamida ushbu formulalarni tekshirishdir. usul va vaqt sohasida chekli farqlar usuli, shuningdek, THz diapazonidagi chastotalarda tajriba.
Analitik va raqamli modellashtirish
Ikki qavatli n1 va n2 katakdagi qatlamlarning sindirish ko'rsatkichlari va qatlam qalinligi d1 va d2 bo'lgan cheksiz fotonik kristallni ko'rib chiqaylik. Ushbu strukturani chiziqli polarizatsiyalangan ko'ndalang elektr to'lqini (TE to'lqini) qo'zg'atadi. K to'lqin vektori ShK qatlamlariga perpendikulyar yo'naltirilgan (1-rasm). Floquet teoremasi va qatlam chegarasidagi tangensial maydon komponentlari uchun uzluksizlik sharti yordamida olingan bunday shaxsiy kompyuter uchun dispersiya tenglamasi quyidagi ko'rinishga ega:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
bu erda q - Bloch to'lqinining raqami; k^ =
sinishi; d1, d2 - qatlam qalinligi.
2 l x / x p1
; / - chastota; pg, p2 - ko'rsatkich
Guruch. 1. Ko'rib chiqilayotgan qatlamli-davriy tuzilma
L. va L 1! I x. ] l! / l Peel! l "
va " va | G ¡4 1 ! 1) 1 1 N V va | 1 U " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Chastota / THz
Guruch. 2. Bloch to'lqin raqami kompleksining chastota dispersiyasi
Tenglama (1) yordamida olingan kompleks Bloch to'lqin sonining dispersiyasi shaklda ko'rsatilgan. 2. Shakldan ko'rinib turibdiki. 2, tarmoqli bo'shliqlari chegaralarida kosinus q(d1 + d2) argumenti 0 yoki n qiymatlarini qabul qiladi. Shuning uchun, ushbu shartga asoslanib, biz hisoblashimiz mumkin
fotonik kristallning kesish chastotalari, tarmoqli bo'shliqlari va tarmoqli bo'shliq markazlarining qiymatlarini aniqlash. Biroq, ikki qatlamli hujayra ichidagi qatlamlarning ko'p bo'lmagan optik uzunligi bo'lgan fotonik kristal uchun bu formulalarni faqat yashirin shaklda olish mumkin. Aniq formulalarni olish uchun bir nechta optik uzunliklardan foydalanish kerak: nxx = n2e2; pyoh = 2xp2yo2; pyoh = 3xn2yo2... . Ishda 1-, 2- va 3-ko'plik uchun formulalar ko'rib chiqildi.
Birinchi ko'paytmali fotonik kristal uchun (nxx = n2d2), chegara chastotalari, kengliklari uchun formulalar
bandgap va tarmoqli o'rtasi quyidagi shaklga ega:
(/n 1 L (/n "va 1 L
0,256-1,5. "arcso81---I + 2lt
a/ = /1 -/2; /33 = //+/2-; /pz =
/ 2a; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
bu erda /1 va /2 - taqiqlangan zonaning mos ravishda past chastotali va yuqori chastotali chegaralari; A/ - tarmoqli bo'shlig'i; /33 - taqiqlangan zonaning markazi; c - yorug'lik tezligi; / - ruxsat etilgan markaz
o n n2 zona 6 = - + -;
Qatlam parametrlari nx = 2,9 bo'lgan kompyuter uchun; n2 = 1,445; ex = 540 mkm; 0,1-1 THz diapazonidagi ikkinchi tarmoqli bo'shlig'i uchun e2 = 1084 mkm, tarmoqli strukturasining quyidagi parametrlari sodir bo'ladi: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 TGs; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Qatlamlarining optik uzunliklari nxx = 2n2d2 tengligi bilan bog'liq bo'lgan shaxsiy kompyuter uchun tarmoqli strukturasi parametrlari uchun quyidagi formulalar olinadi:
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 arkbo
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
bu erda (/1 va /11), (/2 va /21), (/3 va /31), (/4 va /41) - past chastotali va yuqori chastotali chegaralar taqiqlanadi
mos ravishda (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4) raqamlari bo'lgan ny zonalari; c - yorug'lik tezligi; P= - + -;
m = 0.1.2,.... Tarmoq oralig'i A/ = /-/x sifatida hisoblanadi; bandgap markazi
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - ruxsat etilgan zonaning markazi.
Parametrlari nx = 2,9 bo'lgan FC uchun; n2 = 1,445; ex = 540 mkm; 0,1-1 THz diapazonidagi ikkinchi tarmoqli bo'shlig'i uchun e2 = 541,87 mkm, bizda mavjud
/2 = 0,116 TGs; /2x = 0,14 TGs; A/ = 0,024 TGs; /zz = 0,128 THz.
Optik uzunliklari nxx = 3n2d2 tengligi bilan bog'liq bo'lgan fotonik kristal uchun tarmoqli strukturasi parametrlari uchun quyidagi formulalar olinadi:
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
Bu erda (/1 va /11), (/2 va /2), (/3 va /) past chastotali va yuqori chastotali diapazonli bo'shliqlar
mos ravishda raqamlar (3m+1), (3m+2), (3m+3); c - yorug'lik tezligi; p = - + -; t = 0,1,2,....kengligi
tarmoqli bo'shlig'i D/ = / - /1 sifatida hisoblanadi; bandgap markazi /zz =
ruxsat etilgan zona.
Parametrlari n1 = 2,9 bo'lgan shaxsiy kompyuter uchun; n2 = 1,445; = 540 mkm; d2 = 361,24 mkm 0,1-1 THz diapazonidagi ikkinchi tarmoqli bo'shlig'i uchun bizda mavjud
/2 = 0,1283 TGs; = 0,1591 TGs; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Cheklangan uzunlikdagi shaxsiy kompyuterni simulyatsiya qilish uchun 2-qavatning ixtiyoriy nuqtasida fotonik kristall orqali o'tadigan to'lqinning elektromagnit maydonining qiymatini hisoblash imkonini beruvchi matritsalarni uzatish usulidan foydalanish kerak. Bir qatlam uchun uzatish matritsasi quyidagicha:
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)
bu yerda k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - Oz o'qi bo'yicha koordinata; 0 - birinchi qatlamdagi to'lqinning tushish burchagi.
Matritsalarni uzatish usulidan foydalanib, MATLAB matematik to'plamida THz chastota diapazonida 1, 2 va 3-ko'p qavatli ikki qatlamli hujayradagi qatlamlarning optik uzunliklari uchun fotonik kristallning tarmoqli tuzilishi qurilgan. (0=0 uchun) yuqorida ko'rsatilgan qatlam parametrlari bilan 10 birlik katakchalar bilan (3-rasm).
Shakldan ko'rinib turibdiki. 3-rasmga ko'ra, 1-, 2- va 3-ko'plikdagi shaxsiy kompyuterlarning uzatish spektrida optik uzunligi ko'p bo'lmagan shaxsiy kompyuterlarning tarmoqli tuzilishi bilan solishtirganda mos ravishda ikki, uch va to'rtga karrali tarmoqli bo'shliqlari mavjud. birlik hujayra ichidagi qatlamlar. Ko'plikning har uch holati uchun yakuniy shaxsiy kompyuterning tarmoqli strukturasi parametrlarini hisoblashda nisbiy xato cheksiz shaxsiy kompyuter uchun formulalar bilan solishtirganda 1% dan oshmaydi (tarmoq bo'shlig'i o'tkazuvchanlikning 0,5 darajasida hisoblangan). oxirgi kompyuter).
Shuningdek, CST Microwave Studio uch o'lchamli modellashtirish dasturlari paketidan foydalangan holda, bir o'lchovli shaxsiy kompyuterning strukturasi vaqt sohasida chekli farqlar usuli bilan hisoblab chiqilgan (4-rasm). Yakuniy kompyuterning tarmoqli tuzilishining xuddi transfer matritsasi usuli bilan olingan uzatish spektrlari bilan bir xil xatti-harakatlarini ko'rish mumkin. Ushbu simulyatsiya paketidagi cheklangan shaxsiy kompyuterning tarmoqli strukturasi parametrlarini hisoblashda nisbiy xato cheksiz shaxsiy kompyuter uchun formulalar bilan solishtirganda 3% dan oshmaydi.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2yo2 Chastota / THz
Guruch. 3-rasm. Fotonik kristalning uchta ko'plik uchun tarmoqli tuzilishi, THz chastota diapazonidagi ikki qatlamli hujayradagi qatlamlarning optik uzunligi (raqamlar tarmoqli bo'shlig'ini ko'rsatadi, o'qlar ochiladigan joyni ko'rsatadi.
taqiqlangan hududlar)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2yo2 -HA / ut1
pxx=3n2yo2 Chastotasi, THz
Guruch. 4-rasm. MAdagi ShKning uch o'lchovli modeli (a) va uchta ko'plik uchun ShKning o'tkazuvchanligi (b)
eksperimental qism
2-ko'plik holati 0,1-1 THz oralig'ida uzluksiz THz spektroskopiyasi usuli bilan eksperimental tarzda tekshirildi. TGs nurlanishini yaratish uchun fotoo'tkazuvchan (FC) antennada infraqizil nurlanish chastotalarini aralashtirish usuli ishlatilgan. Ikkinchi FP antennasi qabul qiluvchi sifatida ishlatilgan. O'tkazuvchi va qabul qiluvchi kompyuter antennalari orasiga yig'ilgan shaxsiy kompyuter o'rnatildi (5-rasm).
Tekshirilayotgan fotonik kristall quyidagi parametrlarga ega: ikki qavatli hujayralar soni -3; qatlamlarning sinishi ko'rsatkichlari - nx = 2,9 va n2 = 1,445; qatlam qalinligi - eh = 540 mkm va e2 = 520 mkm (e2 ideal 2-ko'plik holatidan 21 mkm kamroq). Shaklda. 5-rasmda 4 va 5 diapazonli bo'shliqlar uchun eksperimental va nazariy spektrlarning taqqoslanishi ko'rsatilgan. Eksperimental grafikdan ko'rinib turibdiki, simulyatsiya uchun ham, birlik hujayra ichidagi qatlamlarning ko'p bo'lmagan optik uzunliklari bo'lgan shaxsiy kompyuterning tarmoqli tuzilishi bilan solishtirganda uchga karrali bo'lgan tarmoqli bo'shlig'i kuzatiladi. Taqiqlangan zonalar markazlarining eksperimental va nazariy pozitsiyalari o'rtasida ozgina tafovutlar
tic spektri tajribada teflon qatlamlari qalinligining ideal 2-ko'plikdan farqiga bog'liq.
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 Chastota, TGs
Tajriba
Modellashtirish
Guruch. 5-rasm. O'rnatish fotosurati, fotonik kristall modelining fotosurati (a) va uchta elementar fotonik kristalning eksperimental va nazariy o'tkazuvchanligining qiyosiy grafigi.
hujayralar (b)
Xulosa
Shunday qilib, TE to'lqini holati uchun ikki qatlamli birlik hujayra ichidagi bir nechta optik qatlam uzunligi bo'lgan bir o'lchovli fotonik kristallarning tarmoqli strukturasi parametrlarini (tarmoq bo'shlig'i, tarmoqli bo'shlig'i chegaralari va tarmoqli bo'shlig'i markazi) hisoblash uchun aniq formulalar olingan. fotonik qatlamlar tekisliklariga perpendikulyar to'lqin vektori bilan.kristal. Qatlamlarning ko'p bo'lmagan optik uzunliklari bo'lgan fotonik kristallarning tarmoqli tuzilishi bilan taqqoslaganda, 1-, 2- va 3-ko'plikdagi fotonik kristall uchun mos ravishda ikki, uch, to'rtga karrali tarmoqli bo'shliqlarining yo'qolishi ko'rsatildi. birlik hujayra ichida. 1-, 2- va 3-ko'plik uchun formulalar uzatish matritsasi usuli va vaqt sohasida 3D chekli farqli raqamli simulyatsiyalar yordamida sinovdan o'tkazildi. 2-ko'plik holati 0,1 dan 1 TGs gacha bo'lgan TGs chastota diapazonida eksperimental tarzda tekshirildi. Olingan formulalar turli matematik paketlarda fotonik kristallning tarmoqli tuzilishini modellashtirishga hojat qoldirmasdan sanoat, harbiy va tibbiy ilovalar uchun fotonik kristallar asosida keng polosali filtrlarni ishlab chiqish uchun ishlatilishi mumkin.
Ish 2009-2013 yillarga mo'ljallangan "Innovatsion Rossiyaning ilmiy va ilmiy-pedagogik kadrlari" Federal maqsadli dasturi doirasida 14.132.21.1421-sonli grant tomonidan qisman qo'llab-quvvatlandi.
Adabiyot
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamateriallar va ularning mikroto'lqinli texnologiyada qo'llanilishi (Sharh) // Texnik fizika jurnali. - "LETI" Sankt-Peterburg elektrotexnika universiteti. - 2013. - T. 83. - Nashr. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Xodzitskiy M.K. Spiral rezonatorlarga asoslangan niqobli qoplama // Axborot texnologiyalari, mexanika va optikaning ilmiy-texnik byulleteni. - 2012. - No 4 (80). -FROM. 28-34.
3. Terexov Yu.E., Xodzitskiy M.K., Belokopitov G.V. Geometrik parametrlarni masshtablash bilan terahertz chastota diapazoni uchun metafilmlarning xususiyatlari // Axborot texnologiyalari, mexanika va optikaning ilmiy-texnik byulleteni. - 2013. - 1-son (83). - S. 55-60.
4. Yablonovich E. Qattiq jismlar fizikasi va elektronikasida inhibe qilingan o'z-o'zidan emissiya // Jismoniy ko'rib chiqish xatlari. - 1987. - V. 58. - No 20. - B. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Davriy dielektrik va akustik muhitlar spektrlarining tarmoqli bo'shlig'i tuzilishi. II. Ikki o'lchovli fotonik kristallar // Amaliy matematika bo'yicha SIAM jurnali. - 1996. - V. 56. - No 6. - B. 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Devis Kristofer C. Fotonik kristall materiallarga asoslangan super-rezolyutsiyali optik mikroskop // Fizika tekshiruvi B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Xideo, Kavashima Takayuki, Tomita Akixisa. Fotonik kristallardagi superprizma hodisalari // Fizik tekshiruv B. - 1998. - V. 58. - No 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Optik sirt rejimlariga asoslangan turli xil fotonik kristalli bio-sensor konfiguratsiyalari // Elektr va elektronika muhandisligi bo'limi. - 2012. - V. 165. - No 1. - B. 68-75.
9. Ozbay E., Mishel E., Tuttle G., Bisvas R., Sigalas M. va Xo K.M. Mikromachinali millimetrli to'lqinli fotonik tarmoqli bo'shliq kristallari // Ilova. fizika. Lett. - 1994. - V. 64. - No 16. - B. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Chjan D., Li L.M., Chjan Z.Q. TGs diapazonidagi ikki o'lchovli metall fotonik kristal // Opt. kommun. - 1999. - V. 166. - No 9. - B. 9-13.
11. Nusinsky Inna va Hardy Amos A. Bir o'lchovli fotonik kristallarning tarmoqli bo'shlig'ini tahlil qilish va bo'shliqni yopish shartlari // Fizik tekshiruv B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bass F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. O'ta panjarali yarim o'tkazgichlarning yuqori chastotali xususiyatlari. - M.: Fan. Ch. ed. Fizika-matematika. lit., 1989. - 288 b.
13. Tug'ilgan M., Wolf E. Optika asoslari. - M.: Fan. Ch. ed. Fizika-matematika. lit., 1973. - 733 b.
14. Gregori I.S., Tribe W.R., Beyker C. 60 dB dinamik diapazonli uzluksiz to'lqinli terahertz tizimi // Amaliy fizika harflari. - 2005. - V. 86. - B. 204104.
Denisultanov Alaudi Xojbaudievich
Xodzitskiy Mixail Konstantinovich
Sankt-Peterburg Axborot texnologiyalari, mexanika va optika milliy tadqiqot universiteti, talaba, [elektron pochta himoyalangan]
Sankt-Peterburg Axborot texnologiyalari, mexanika va optika milliy tadqiqot universiteti, fizika-matematika fanlari nomzodi. fanlar, assistent, [elektron pochta himoyalangan]
) — tuzilishi 1, 2 yoki 3 fazoviy yo'nalishda sinishi ko'rsatkichining davriy o'zgarishi bilan tavsiflangan material.
Tavsif
Fotonik kristallarning (PC) o'ziga xos xususiyati sinishi indeksidagi fazoviy davriy o'zgarishlarning mavjudligidir. Sinishi indeksi vaqti-vaqti bilan o'zgarib turadigan fazoviy yo'nalishlar soniga qarab, fotonik kristallar bir o'lchovli, ikki o'lchovli va uch o'lchovli deb nomlanadi yoki 1D PC, 2D PC va 3D PC (D - ingliz o'lchamidan) deb qisqartiriladi. , mos ravishda. An'anaviy ravishda, 2D shaxsiy kompyuter va 3D shaxsiy kompyuterning tuzilishi rasmda ko'rsatilgan.
Fotonik kristallarning eng hayratlanarli xususiyati 3D shaxsiy kompyuterda umumiy fotonik tarmoqli bo'shliqlari (PBG) deb ataladigan ma'lum spektral hududlarning tarkibiy qismlarining sinishi ko'rsatkichlarida etarlicha katta kontrastga ega bo'lishi: foton energiyasiga tegishli bo'lgan nurlanishning mavjudligi. Bunday kristallarda PBG mumkin emas. Xususan, spektri PBG ga tegishli bo'lgan nurlanish tashqi tomondan ShKga kirmaydi, unda mavjud bo'lolmaydi va chegaradan to'liq aks etadi. Taqiqlanish faqat konstruktiv nuqsonlar mavjud bo'lsa yoki shaxsiy kompyuterning o'lchami cheklangan bo'lsa buziladi. Bunday holda, maqsadli ravishda yaratilgan chiziqli nuqsonlar kichik egilish yo'qotishlari (egrilikning mikron radiusigacha), nuqta nuqsonlari - miniatyura rezonatorlari. Yorug'lik (foton) nurlarining xususiyatlarini boshqarishning keng imkoniyatlariga asoslangan 3D shaxsiy kompyuterning potentsial imkoniyatlarini amaliy tatbiq etish endi boshlanmoqda. Bunga yuqori sifatli 3D shaxsiy kompyuterlarni yaratishning samarali usullari, mahalliy bir xilliklarni, ulardagi chiziqli va nuqta nuqsonlarini maqsadli shakllantirish usullari, shuningdek, boshqa fotonik va elektron qurilmalar bilan o'zaro bog'lanish usullarining yo'qligi to'sqinlik qilmoqda.
Qoida tariqasida, planar (plyonkali) fotonik kristallar yoki (PCF) shaklida qo'llaniladigan 2D shaxsiy kompyuterlarni amaliy qo'llash bo'yicha sezilarli darajada katta yutuqlarga erishildi (tegishli maqolalarda batafsil ma'lumotga qarang).
PCFlar perpendikulyar yo'nalishda cho'zilgan markaziy qismdagi nuqsonli ikki o'lchovli strukturadir. Optik tolalarning tubdan yangi turi bo'lgan PCFlar yorug'lik to'lqinlarini tashish va boshqa turlarga kirish imkoni bo'lmagan yorug'lik signallarini boshqarish imkoniyatlarini beradi.
Bir o'lchovli shaxsiy kompyuterlar (1D shaxsiy kompyuterlar) turli xil sinishi ko'rsatkichlariga ega bo'lgan o'zgaruvchan qatlamlarning ko'p qatlamli tuzilishi. Klassik optikada "fotonik kristal" atamasi paydo bo'lishidan ancha oldin ma'lum ediki, bunday davriy tuzilmalarda yorug'lik to'lqinlarining tarqalish xarakteri interferentsiya va diffraktsiya hodisalari tufayli sezilarli darajada o'zgaradi. Misol uchun, ko'p qatlamli aks ettiruvchi qoplamalar uzoq vaqtdan beri nometall va plyonkali interferentsiya filtrlarini, spektral selektorlar va filtrlar sifatida hajmli Bragg panjaralarini ishlab chiqarish uchun keng qo'llanilgan. Kompyuter atamasi keng qo'llanilgach, sinishi ko'rsatkichi vaqti-vaqti bilan bir yo'nalish bo'ylab o'zgarib turadigan bunday qatlamli muhitlar bir o'lchovli fotonik kristallar sinfiga kiritila boshlandi. Perpendikulyar yorug'lik tushishi bilan, ko'p qatlamli qoplamalardan aks ettirish koeffitsientining spektral bog'liqligi "Bragg jadvali" deb ataladi - ma'lum to'lqin uzunliklarida aks ettirish koeffitsienti qatlamlar sonining ko'payishi bilan tezda birlikka yaqinlashadi. Shaklda ko'rsatilgan spektral diapazonga tushadigan yorug'lik to'lqinlari. b o'q, davriy tuzilishdan deyarli butunlay aks ettirilgan. FK terminologiyasiga ko'ra, qatlamlarga perpendikulyar tarqaladigan yorug'lik to'lqinlari uchun to'lqin uzunliklarining bu diapazoni va foton energiyalarining tegishli diapazoni (yoki energiya bandi) taqiqlanadi.
Fotonlarni boshqarishning noyob imkoniyatlari tufayli shaxsiy kompyuterlarning amaliy qo'llanilishi salohiyati juda katta va hali to'liq o'rganilmagan. Shubha yo'qki, kelgusi yillarda yangi qurilmalar va konstruktiv elementlar taklif qilinadi, ehtimol bugungi kunda foydalanilayotgan yoki ishlab chiqilganidan tubdan farq qiladi.
Fotonikada shaxsiy kompyuterlardan foydalanishning katta istiqbollari E. Yablonovichning o'z-o'zidan paydo bo'ladigan emissiya spektrini boshqarish uchun to'liq PBGga ega shaxsiy kompyuterlardan foydalanish taklif qilingan maqolasi nashr etilgandan so'ng amalga oshirildi.
Yaqin kelajakda kutilishi mumkin bo'lgan fotonik qurilmalar orasida quyidagilar mavjud:
- ultra kichik past chegarali FK lazerlari;
- boshqariladigan emissiya spektriga ega super yorqin shaxsiy kompyuterlar;
- mikron egilish radiusi bo'lgan subminiatyura FK to'lqin o'tkazgichlari;
- planar shaxsiy kompyuterlar asosida yuqori darajadagi integratsiyaga ega fotonik integral sxemalar;
- miniatyura FK spektral filtrlari, shu jumladan sozlanishi;
- tasodifiy kirish optik xotirasining FK qurilmalari;
- FK optik signallarni qayta ishlash qurilmalari;
- ichi bo'sh yadroli PCF asosidagi yuqori quvvatli lazer nurlanishini etkazib berish uchun vositalar.
Uch o'lchovli shaxsiy kompyuterlarni qo'llashning eng jozibali, ammo eng qiyini bu axborotni qayta ishlash uchun fotonik va elektron qurilmalarning o'ta katta hajmli integratsiyalashgan komplekslarini yaratishdir.
3D fotonik kristallar uchun boshqa potentsial foydalanish sun'iy opal asosidagi zargarlik buyumlarini ishlab chiqarishni o'z ichiga oladi.
Fotonik kristallar tabiatda ham mavjud bo'lib, atrofimizdagi dunyoga qo'shimcha rang soyalarini beradi. Shunday qilib, haliotis kabi mollyuskalar qobig'ining marvarid qoplamasi 1D FC tuzilishga ega, dengiz sichqonchasining antennalari va poliketli qurtlarning tuklari 2D FC, tabiiy yarim qimmatbaho opallar va Afrika qaldirg'ochining qanotlari. kapalaklar (Papilio ulysses) tabiiy uch o'lchamli fotonik kristallardir.
Tasvirlar
|
a– ikki o‘lchovli (yuqori) va uch o‘lchamli (pastki) ShKning tuzilishi; b chorak to'lqin uzunlikdagi GaAs/AlxOy qatlamlari tomonidan hosil qilingan bir o'lchovli shaxsiy kompyuterning tarmoqli oralig'i (tarmoq oralig'i o'q bilan ko'rsatilgan); ichida FNM Moskva davlat universiteti xodimlari tomonidan olingan teskari nikel FC. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolskiy va A.A. Eliseev |
2
Kirish Qadim zamonlardan beri fotonik kristallni topgan odamni undagi o'ziga xos nurli o'yin hayratga solgan. Turli xil hayvonlar va hasharotlarning tarozilari va patlarining nurli to'lib ketishi ulardagi ustki tuzilmalar mavjudligi bilan bog'liq bo'lib, ular aks ettiruvchi xususiyatlari uchun fotonik kristallar nomini oldi. Tabiatda fotonik kristallar mavjud: minerallar (kaltsit, labradorit, opal); kapalaklarning qanotlarida; qo'ng'iz qobig'i; ba'zi hasharotlarning ko'zlari; suv o'tlari; baliq tarozilari; tovus patlari. 3
Fotonik kristallar Bu strukturasi fazoviy yo'nalishlarda sinishi indeksining davriy o'zgarishi bilan tavsiflangan materialdir alyuminiy oksidi asosidagi fotonik kristal. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH VA KOSTAS M. SOUKOULIS “Telekommunikatsiyalar uchun uch o'lchamli fotonik-kristal shablonlarini to'g'ridan-to'g'ri lazer bilan yozish”// Tabiat materiallari Vol. 3, P
Bir oz tarix... 1887 yil Rayleigh birinchi bo'lib davriy tuzilmalarda elektromagnit to'lqinlarning tarqalishini o'rgandi, bu bir o'lchovli fotonik kristalli Fotonik kristallarga o'xshaydi - bu atama 1980-yillarning oxirida kiritilgan. yarimo'tkazgichlarning optik analogini belgilash uchun. Bu shaffof dielektrikdan yasalgan sun'iy kristallar bo'lib, ularda havo "teshiklari" tartibli tarzda yaratilgan. 5
Fotonik kristallar - jahon energetikasining kelajagi Yuqori haroratli fotonik kristallar nafaqat energiya manbai, balki nihoyatda yuqori sifatli detektorlar (energiya, kimyoviy) va sensorlar vazifasini ham bajarishi mumkin. Massachusets olimlari tomonidan yaratilgan fotonik kristallar volfram va tantalga asoslangan. Ushbu birikma juda yuqori haroratlarda qoniqarli ishlashga qodir. ˚S gacha. Fotonik kristall foydalanish uchun qulay bo'lgan bir turdagi energiyani boshqasiga aylantirishni boshlashi uchun har qanday manba (termal, radio emissiya, qattiq nurlanish, quyosh nuri va boshqalar) ishlaydi. 6
7
Fotonik kristalldagi elektromagnit to'lqinlarning tarqalish qonuni (kengaytirilgan zonalar diagrammasi). O'ng tomon kristallning ma'lum bir yo'nalishi uchun chastota o'rtasidagi munosabatni ko'rsatadi? va ReQ (qattiq egri chiziqlar) va ImQ (omega to'xtash zonasidagi chiziqli egri chiziq) qiymatlari -
Fotonik bo'shliq nazariyasi 1987 yilga qadar Bell Communications Research xodimi Eli Yablonovich (hozirda UCLA professori) elektromagnit tarmoqli bo'shlig'i tushunchasini kiritgan paytgacha edi. Ufqlarni kengaytirish uchun: Eli Yablonovichning ma'ruzasi yablonovich-uc-berkeley/ko'rish Jon Pendrining ma'ruzasi Jon-pendri-imperial-kolleji/9-ko'rinish
Tabiatda fotonik kristallar ham uchraydi: Afrika qaldirg'ochli kapalaklarining qanotlarida, mollyuskalar qobig'ining marvarid qoplamasi, masalan, galiotis, dengiz sichqonchasining to'nkalari va ko'p qavatli qurtlarning tuklari. Opal bilaguzuk fotosurati. Opal tabiiy fotonik kristalldir. U "aldamchi umidlar toshi" deb ataladi 10
11
Pigment qoplamasining qizdirilmasligi va fotokimyoviy destruktsiyasi yo'q" title="(!LANG: FA asosidagi filtrlarning tirik organizmlar uchun yutilish mexanizmiga (yutish mexanizmi) nisbatan afzalliklari: Interferentsiyali rang berish yorug'lik energiyasini singdirish va tarqatishni talab qilmaydi, => pigment qoplamini isitish va fotokimyoviy yo'q qilish yo'q" class="link_thumb"> 12 !} Tirik organizmlar uchun FA asosidagi filtrlarning yutilish mexanizmiga (yutuvchi mexanizm) nisbatan afzalliklari: Interferentsiyali rang berish yorug'lik energiyasini yutishni va tarqatishni talab qilmaydi, => pigment qoplamasini qizdirmaydi va fotokimyoviy yo'q qiladi. Issiq iqlim sharoitida yashovchi kapalaklarning qanotlari nurli naqshga ega bo'lib, sirtdagi fotonik kristalning tuzilishi yorug'likning yutilishini va shuning uchun qanotlarning qizishini kamaytirishi aniqlangan. Dengiz sichqonchasi uzoq vaqt davomida fotonik kristallardan foydalangan. 12 pigment qoplamini isitish va fotokimyoviy yo'q qilish "> pigment qoplamasini isitish va fotokimyoviy yo'q qilish yo'q. Issiq iqlimda yashovchi kapalaklar nurli qanot naqshiga ega va sirtdagi fotonik kristalning tuzilishi, ma'lum bo'lishicha, kamaytiradi. yorug'likning yutilishi va buning natijasida qanotlarning qizishi.Dengiz sichqonchasi allaqachon fotonik kristallarni amalda uzoq vaqt davomida ishlatib kelmoqda. , => pigmentning qizishi va fotokimyoviy yo'q qilinishi yo'q."> title="Tirik organizmlar uchun FA asosidagi filtrlarning assimilyatsiya mexanizmiga (yutuvchi mexanizm) nisbatan afzalliklari: Interferentsiyali rang berish yorug'lik energiyasini so'rilishini va tarqalishini talab qilmaydi, => pigment qoplamasining qizishi va fotokimyoviy yo'q qilinishini talab qilmaydi."> !}
Morfo didius nurli kapalak va uning qanotining mikrografikasi difraksiyaviy biologik mikrostrukturaga misol sifatida. Iridescent tabiiy opal (yarim qimmatbaho tosh) va kremniy dioksidining yaqin o'ralgan sharlaridan tashkil topgan uning mikro tuzilishining tasviri. 13
Fotonik kristallarning tasnifi 1. Bir o'lchovli. Bunda sinishi ko'rsatkichi rasmda ko'rsatilganidek, davriy ravishda bir fazoviy yo'nalishda o'zgaradi. Ushbu rasmda l belgisi sindirish ko'rsatkichining o'zgarish davrini va ikkita materialning sinishi ko'rsatkichlarini bildiradi (lekin umuman olganda har qanday miqdordagi materiallar mavjud bo'lishi mumkin). Bunday fotonik kristallar turli xil sindirish ko'rsatkichlariga ega bo'lgan bir-biriga parallel bo'lgan turli materiallar qatlamlaridan iborat bo'lib, qatlamlarga perpendikulyar bo'lgan bir fazoviy yo'nalishda o'z xususiyatlarini ko'rsatishi mumkin. o'n to'rt
2. Ikki o‘lchovli. Bunda sinishi ko'rsatkichi rasmda ko'rsatilganidek, ikki fazoviy yo'nalishda davriy ravishda o'zgaradi. Ushbu rasmda n2 sinishi ko'rsatkichi bo'lgan muhitda joylashgan n1 sinishi indeksiga ega to'rtburchaklar mintaqalar tomonidan fotonik kristall yaratilgan. Bunday holda, sinishi indeksi n1 bo'lgan hududlar ikki o'lchovli kubik panjarada tartibga solinadi. Bunday fotonik kristallar o'z xususiyatlarini ikki fazoviy yo'nalishda namoyon qilishi mumkin va sinishi indeksi n1 bo'lgan hududlarning shakli rasmdagi kabi to'rtburchaklar bilan cheklanmaydi, balki har qanday (doira, ellips, ixtiyoriy va boshqalar) bo'lishi mumkin. Ushbu hududlar tartiblangan kristall panjara ham rasmda bo'lgani kabi faqat kubik emas, balki har xil bo'lishi mumkin. o'n besh
3. Uch o‘lchovli. Bunda sinishi ko'rsatkichi vaqti-vaqti bilan uchta fazoviy yo'nalishda o'zgaradi. Bunday fotonik kristallar o'z xususiyatlarini uchta fazoviy yo'nalishda ko'rsatishi mumkin va ular uch o'lchovli kristall panjarada tartiblangan hajmli mintaqalar (sferalar, kublar va boshqalar) massivi sifatida ifodalanishi mumkin. 16
Fotonik kristallarning qo'llanilishi Birinchi dastur - spektral kanallarni ajratish. Ko'p hollarda bitta emas, balki bir nechta yorug'lik signallari optik tola bo'ylab tarqaladi. Ularni ba'zan saralash kerak - har birini alohida yo'l bo'ylab yuborish. Misol uchun - optik telefon kabeli, u orqali turli to'lqin uzunliklarida bir vaqtning o'zida bir nechta suhbatlar mavjud. Fotonik kristall oqimdan kerakli to'lqin uzunligini "o'yib olish" va uni kerakli joyga yo'naltirish uchun ideal vositadir. Ikkinchisi yorug'lik oqimlari uchun xochdir. Yorug'lik kanallarini jismonan kesib o'tganda o'zaro ta'sirdan himoya qiladigan bunday qurilma engil kompyuter va engil kompyuter chiplarini yaratishda mutlaqo kerak. 17
Telekommunikatsiyada fotonik kristall Birinchi ishlanmalar boshlanganidan beri unchalik ko'p yillar o'tmadi, chunki investorlarga fotonik kristallar mutlaqo yangi turdagi optik materiallar ekanligi va ularning porloq kelajagi borligi ayon bo'ldi. Optik diapazonning fotonik kristallarini ishlab chiqishning tijorat maqsadlarida qo'llanilishi, ehtimol, telekommunikatsiya sohasida sodir bo'ladi. o'n sakkiz
21
FC Pluss olish uchun litografik va golografik usullarning afzalliklari va kamchiliklari: shakllangan strukturaning yuqori sifati. Tez ishlab chiqarish tezligi Ommaviy ishlab chiqarish qulayligi Kamchiliklari Qimmatbaho asbob-uskunalar talab qilinadi Kenarning aniqligining mumkin bo'lgan yomonlashuvi O'rnatishlarni tayyorlashdagi qiyinchilik 22
Pastki qismdagi yaqindan 10 nm tartibdagi qolgan pürüzlülük ko'rsatilgan. Xuddi shu pürüzlülük bizning SU-8 shablonlarida golografik litografiya yordamida ko'rinadi. Bu aniq ko'rsatadiki, bu pürüzlülük ishlab chiqarish jarayoni bilan bog'liq emas, balki fotorezistning yakuniy rezolyutsiyasi bilan bog'liq. 24
Asosiy PBG to'lqin uzunliklarini telekommunikatsiya rejimida 1,5 mkm va 1,3 mkm dan o'tkazish uchun novdalar tekisligida 1 mkm yoki undan kamroq masofaga ega bo'lish kerak. Tayyorlangan namunalarda muammo bor: novdalar bir-biri bilan aloqa qila boshlaydi, bu esa fraksiyaning kiruvchi katta to'ldirishiga olib keladi. Yechim: novda diametrini qisqartirish, shuning uchun fraksiyani kislorod plazmasida 26 bilan to'ldirish.
Shaxsiy kompyuterning optik xususiyatlari Muhit davriyligi tufayli fotonik kristall ichidagi nurlanishning tarqalishi davriy potensial ta'sirida oddiy kristall ichidagi elektronning harakatiga o'xshaydi. Muayyan sharoitlarda, tabiiy kristallardagi taqiqlangan elektron chiziqlar singari, shaxsiy kompyuterning tarmoqli tuzilishida bo'shliqlar hosil bo'ladi. 27
Ikki o'lchovli davriy fotonik kristall kremniy dioksid substratiga kvadrat uyada ekilgan vertikal dielektrik novdalarning davriy tuzilishini hosil qilish orqali olinadi. Fotonik kristalldagi "nuqsonlarni" joylashtirish orqali har qanday burchakda egilib, 100% o'tkazuvchanlikni ta'minlaydigan to'lqin o'tkazgichlarni yaratish mumkin 28 tasmali ikki o'lchovli fotonik tuzilmalar.
Polarizatsiyaga sezgir fotonik tarmoqli bo'shliqlari bo'lgan strukturani olishning yangi usuli Fotonik tarmoqli bo'shlig'ining tuzilishini boshqa optik va optoelektronik qurilmalar bilan birlashtirishga yondashuvni ishlab chiqish Qisqa va uzun to'lqinli diapazon chegaralarini kuzatish. Tajriba maqsadi: 29
Fotonik tarmoqli bo'shliq (PBG) strukturasining xususiyatlarini aniqlaydigan asosiy omillar sinishi kontrasti, panjaradagi yuqori va past moddiy indekslarning nisbati va panjara elementlarining joylashishi. Amaldagi to'lqin o'tkazgichning konfiguratsiyasi yarimo'tkazgichli lazer bilan solishtirish mumkin. Massiv juda kichik (diametri 100 nm) to'lqin o'tkazgichning yadrosida 30 olti burchakli panjara hosil qilgan teshiklar o'yilgan.
Shakl 2a. Gorizontal o'ralgan panjarada simmetriya yo'nalishlarini ko'rsatuvchi panjara va Briluen zonasining eskizi. b, c 19 nm fotonik panjarada uzatish xususiyatlarini o'lchash. 31 nosimmetrik yo'nalishli Brillouin zonalari
Fig.4 TM polarizatsiyasi uchun K nuqtasi yaqinida 1 (a) va 2 (b) bandiga mos keladigan harakatlanuvchi to'lqinlar profillarining elektr maydonining fotosuratlari. a da, maydon tekislik to'lqini kabi y-z tekisligiga nisbatan bir xil aks ettiruvchi simmetriyaga ega, shuning uchun u kiruvchi tekislik to'lqini bilan osongina o'zaro ta'sir qilishi kerak. Bundan farqli o'laroq, b da maydon assimetrik bo'lib, bu o'zaro ta'sirga yo'l qo'ymaydi. 33
Xulosa: PBG tuzilmalari yarimo'tkazgichli lazerlarda emissiyani to'g'ridan-to'g'ri nazorat qilish uchun oyna va elementlar sifatida ishlatilishi mumkin.To'lqin o'tkazgich geometriyasida PBG tushunchalarini ko'rsatish juda ixcham optik elementlarni amalga oshirish imkonini beradi.Bu chiziqli bo'lmagan effektlardan foydalanish mumkin bo'ladi 34
So'nggi o'n yillikda mikroelektronikaning rivojlanishi sekinlashdi, chunki standart yarimo'tkazgichli qurilmalarning tezligi chegaralariga amalda erishilgan. Ko'plab tadqiqotlar yarimo'tkazgichli elektronikaga muqobil sohalarni rivojlantirishga bag'ishlangan - bular spintronika, o'ta o'tkazuvchan elementlar bilan mikroelektronika, fotonika va boshqalar.
Axborotni elektr signali emas, balki yorug'lik signali yordamida uzatish va qayta ishlashning yangi printsipi axborot asrida yangi bosqich boshlanishini tezlashtirishi mumkin.
Oddiy kristallardan fotonikgacha
Kelajakdagi elektron qurilmalarning asosi fotonik kristallar bo'lishi mumkin - bu sintetik buyurtma qilingan materiallar bo'lib, unda dielektrik o'tkazuvchanligi strukturaning ichida vaqti-vaqti bilan o'zgarib turadi. An'anaviy yarimo'tkazgichning kristall panjarasida atomlarning joylashishining muntazamligi, davriyligi tarmoqli energiya tuzilishi deb ataladigan - ruxsat etilgan va taqiqlangan zonalar bilan shakllanishiga olib keladi. Energiyasi ruxsat etilgan tarmoqqa tushgan elektron kristall bo'ylab harakatlanishi mumkin, tarmoq bo'shlig'idagi energiyaga ega elektron esa "qulflangan".
Oddiy kristalga o'xshab, fotonik kristall g'oyasi paydo bo'ldi. Unda o'tkazuvchanlikning davriyligi fotonik zonalarning, xususan, ma'lum bir to'lqin uzunligi bilan yorug'likning tarqalishi bostirilgan taqiqlangan zonaning paydo bo'lishiga olib keladi. Ya'ni, elektromagnit nurlanishning keng spektri uchun shaffof bo'lib, fotonik kristallar tanlangan to'lqin uzunligi bilan yorug'likni o'tkazmaydi (optik yo'l uzunligi bo'ylab strukturaning ikki barobar davriga teng).
Fotonik kristallar turli o'lchamlarga ega bo'lishi mumkin. Bir o'lchovli (1D) kristallar turli xil sinishi ko'rsatkichlariga ega bo'lgan o'zgaruvchan qatlamlarning ko'p qatlamli tuzilishidir. Ikki o'lchovli fotonik kristallar (2D) turli o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan novdalarning davriy tuzilishi sifatida ifodalanishi mumkin. Fotonik kristallarning birinchi sintetik prototiplari uch o‘lchamli bo‘lib, 1990-yillarning boshlarida tadqiqot markazi xodimlari tomonidan yaratilgan. Bell laboratoriyalari(AQSH). Dielektrik materialda davriy panjara olish uchun amerikalik olimlar silindrsimon teshiklarni uch o'lchamli bo'shliqlar tarmog'ini oladigan tarzda burg'ulashdi. Materialning fotonik kristalga aylanishi uchun uning o'tkazuvchanligi har uch o'lchamda 1 santimetrlik davr bilan modulyatsiya qilingan.
Fotonik kristallarning tabiiy analoglari - bu qobiqlarning marvarid qoplamalari (1D), dengiz sichqonchasining antennalari, poliket qurti (2D), Afrika yelkanli kapalak qanotlari va opal (3D) kabi yarim qimmatbaho toshlar.
Ammo bugungi kunda ham eng zamonaviy va qimmat elektron litografiya va anizotrop ionlarni qirqish usullari yordamida ham qalinligi 10 dan ortiq strukturaviy hujayralar bo'lgan nuqsonsiz uch o'lchovli fotonik kristallarni ishlab chiqarish qiyin.
Fotonik kristallar fotonik integral texnologiyalarda keng qo'llanilishi kerak, ular kelajakda kompyuterlardagi elektr integral mikrosxemalar o'rnini bosadi. Axborot elektronlar o‘rniga fotonlar yordamida uzatilsa, quvvat sarfi keskin kamayadi, takt chastotalari va axborot uzatish tezligi oshadi.
Titan oksidi fotonik kristalli
Titan oksidi TiO 2 yuqori sinishi indeksi, kimyoviy barqarorlik va past toksiklik kabi noyob xususiyatlarga ega, bu uni bir o'lchovli fotonik kristallarni yaratish uchun eng istiqbolli materialga aylantiradi. Agar quyosh xujayralari uchun fotonik kristallarni ko'rib chiqsak, u holda titanium oksidi yarim o'tkazgich xususiyatlari tufayli bu erda g'alaba qozonadi. Titan oksidi fotonik kristallarini o'z ichiga olgan davriy fotonik kristalli tuzilishga ega bo'lgan yarimo'tkazgich qatlamidan foydalangan holda quyosh xujayralari samaradorligini oshirish avvalroq ko'rsatilgan.
Ammo hozirgacha titan dioksidiga asoslangan fotonik kristallardan foydalanish ularni yaratish uchun takrorlanadigan va arzon texnologiyaning yo'qligi bilan cheklangan.
Moskva davlat universitetining kimyo fakulteti va materialshunoslik fakulteti xodimlari Nina Sapoletova, Sergey Kushnir va Kirill Napolskiy g'ovakli titan oksidi plyonkalari asosida bir o'lchovli fotonik kristallar sintezini takomillashtirdilar.
Elektrokimyoviy nanostruktura guruhi rahbari, kimyo fanlari nomzodi Kirill Napolskiy tushuntirdi: "Vap metallarini, shu jumladan alyuminiy va titanni anodlash (elektrokimyoviy oksidlanish) nanometr o'lchamdagi kanallarga ega bo'lgan g'ovakli oksidli plyonkalarni olishning samarali usulidir".
Anodizatsiya odatda ikki elektrodli elektrokimyoviy hujayrada amalga oshiriladi. Elektrolitlar eritmasiga ikkita metall plastinka, katod va anod tushiriladi va elektr kuchlanish qo'llaniladi. Katodda vodorod ajralib chiqadi va anodda metallning elektrokimyoviy oksidlanishi sodir bo'ladi. Agar hujayraga qo'llaniladigan kuchlanish vaqti-vaqti bilan o'zgartirilsa, u holda anodda qalinligida ko'rsatilgan g'ovaklikka ega bo'lgan gözenekli plyonka hosil bo'ladi.
Agar g'ovak diametri strukturada vaqti-vaqti bilan o'zgarib tursa, samarali sinishi indeksi modulyatsiya qilinadi. Ilgari ishlab chiqilgan titanni anodlash usullari yuqori darajadagi struktura davriyligi bo'lgan materiallarni olishga imkon bermadi. Moskva davlat universiteti kimyogarlari anodlash zaryadiga qarab kuchlanish modulyatsiyasi bilan metallni anodlashning yangi usulini ishlab chiqdilar, bu esa yuqori aniqlikdagi g'ovakli anodik metal oksidlarini yaratish imkonini beradi. Yangi texnikaning imkoniyatlarini kimyogarlar misol tariqasida anodik titan oksididan olingan bir o'lchovli fotonik kristallardan foydalangan holda ko'rsatdilar.
Sinusoidal qonun bo'yicha anodizatsiya kuchlanishini 40-60 volt oralig'ida o'zgartirish natijasida olimlar doimiy tashqi diametrli va vaqti-vaqti bilan o'zgarib turadigan ichki diametrli anodik titan oksidining nanotubalarini oldilar (rasmga qarang).
“Ilgari ishlatilgan anodlash usullari yuqori darajadagi struktura davriyligi bo'lgan materiallarni olishga imkon bermadi. Biz yangi metodologiyani ishlab chiqdik, uning asosiy komponenti hisoblanadi joyida(darhol sintez paytida) anodizatsiya zaryadini o'lchash, bu hosil bo'lgan oksid plyonkasida turli xil g'ovaklikka ega qatlamlarning qalinligini yuqori aniqlik bilan nazorat qilish imkonini beradi ", - deb tushuntirdi ish mualliflaridan biri, kimyo fanlari nomzodi Sergey Kushnir.
Ishlab chiqilgan texnika anodik metal oksidlari asosida modulyatsiyalangan tuzilishga ega yangi materiallarni yaratishni soddalashtiradi. "Agar biz quyosh xujayralarida anodik titan oksididan fotonik kristallardan foydalanishni texnikaning amaliy qo'llanilishi deb hisoblasak, bunday fotonik kristallarning strukturaviy parametrlarining quyosh kameralarida yorug'lik konversiyasi samaradorligiga ta'sirini tizimli o'rganish qoladi. amalga oshirilsin”, dedi Sergey Kushnir.
