A fotonikus kristályok jelentik majd a mikroelektronika új generációjának alapját. Fotonikus kristályok elektrokémiája Fotonikus kristályokon alapuló késleltető rendszerek

A nanoméretű struktúrák és fotonikus kristályok fotonikájának ötlete az optikai sávszerkezet létrehozásának lehetőségét elemezve született. Feltételezték, hogy az optikai sávszerkezetben, valamint a félvezető sávszerkezetben a különböző energiájú fotonok megengedett és tiltott állapotainak létezniük kell. Elméletileg egy olyan közeg modellt javasoltak, amelyben a közeg permittivitásának vagy törésmutatójának periodikus változásait használták a rács periodikus potenciáljaként. Így bevezették a „fotonikus kristályban” a „fotonikus sávrés” fogalmát.

Fotonikus kristály egy szuperrács, amelyben egy mezőt mesterségesen hoznak létre, és periódusa nagyságrendekkel nagyobb, mint a főrács periódusa. A fotonikus kristály egy félig átlátszó dielektrikum, amely bizonyos periodikus szerkezettel és egyedi optikai tulajdonságokkal rendelkezik.

A periódusos szerkezetet a legkisebb lyukak alkotják, amelyek periodikusan változtatják az r dielektromos állandót, ezek átmérője olyan, hogy szigorúan meghatározott hosszúságú fényhullámok haladnak át rajtuk. Az összes többi hullám elnyelődik vagy visszaverődik.

Fotonikus sávok képződnek, amelyekben a fény terjedésének fázissebessége e-től függ.. A kristályban a fény koherensen terjed, és a terjedés irányától függően tiltott frekvenciák jelennek meg. A fotonikus kristályok Bragg-diffrakciója az optikai hullámhossz-tartományban történik.

Az ilyen kristályokat fotonikus sávszélességű anyagoknak (PBG) nevezik. A kvantumelektronika szempontjából Einstein stimulált emissziós törvénye nem áll fenn ilyen aktív közegben. Ennek a törvénynek megfelelően az indukált emisszió és abszorpció mértéke egyenlő, és a gerjesztett értékek összege N 2és izgatott

atomok JV jelentése A, + N. = N. Akkor vagy 50%.

A fotonikus kristályokban 100%-os szintű populációinverzió lehetséges. Ez lehetővé teszi a szivattyú teljesítményének csökkentését és a kristály szükségtelen melegítésének csökkentését.

Ha a kristályt hanghullámok érik, akkor a fényhullám hossza és a kristályra jellemző fényhullám mozgási iránya változhat. A fotonikus kristályok megkülönböztető tulajdonsága a visszaverődési együttható arányossága R a fény a spektrum hosszú hullámhosszú részében a co 2 frekvencianégyzetében, és nem úgy, mint a Rayleigh-szórásnál R~ 4-től. Az optikai spektrum rövidhullámú összetevőjét a geometriai optika törvényei írják le.

A fotonikus kristályok ipari létrehozása során meg kell találni a háromdimenziós szuperrácsok létrehozásának technológiáját. Ez nagyon nehéz feladat, mivel a litográfiai módszereket alkalmazó szabványos replikációs technikák elfogadhatatlanok a 3D nanostruktúrák létrehozásához.

A kutatók figyelmét a nemes opál keltette fel (2.23. ábra). Ez egy Si() 2 ásvány? P 1.0 hidroxid alosztály. A természetes opálokban a gömbök üregei szilícium-dioxiddal és molekuláris vízzel vannak kitöltve. A nanoelektronika szempontjából az opálok szorosan (főleg a köbös törvény szerint) szilícium-dioxid nanogömbjei (globulusai). A nanogömbök átmérője általában 200-600 nm tartományba esik. A szilícium-dioxid gömböcskék csomagolása háromdimenziós rácsot képez. Az ilyen szuperrácsok 140-400 nm méretű szerkezeti üregeket tartalmaznak, amelyeket félvezető, optikailag aktív és mágneses anyagokkal lehet kitölteni. Opálszerű szerkezetben lehetőség nyílik nanoméretű szerkezetű háromdimenziós rács létrehozására. Az opális opálmátrix szerkezet 3E fotonikus kristályként szolgálhat.

Kidolgozták az oxidált makropórusos szilícium technológiáját. E technológiai eljárás alapján háromdimenziós szerkezeteket hoztak létre szilícium-dioxid csapok formájában (2.24. ábra).

Ezekben a struktúrákban fotonikus sávhézagokat találtak. A sávszélesség paraméterei a litográfiai folyamatok szakaszában, vagy a csapszerkezet más anyagokkal való feltöltésével változtathatók.

A fotonikus kristályok alapján többféle lézert fejlesztettek ki. A fotonikus kristályokon alapuló optikai elemek másik osztálya az fotonikus kristályszálak(FKV). Van nekik

Rizs. 2.23. Szintetikus opál szerkezete (a)és természetes opálok (b)"

" Egy forrás: Gudilin E. A.[satöbbi.]. A nanovilág gazdagsága. Fotóesszé az anyag mélyéről; szerk. Yu. D. Tretyakova. M.: BINOM. Tudáslabor, 2010.

Rizs. 2.24.

sávrés egy adott hullámhossz-tartományban. A hagyományos optikai szálakkal ellentétben a fotonikus sávszélességű szálak képesek a zéró diszperziós hullámhosszt a spektrum látható tartományába tolni. Ebben az esetben a látható fény terjedésének szoliton rezsimjeinek feltételei biztosítottak.

A levegőcsövek méretének és ennek megfelelően a mag méretének változtatásával növelhető a fénysugárzás erejének koncentrációja, a szálak nemlineáris tulajdonságai. A szál és a burkolat geometriájának változtatásával az erős nemlinearitás és az alacsony diszperzió optimális kombinációja érhető el a kívánt hullámhossz-tartományban.

ábrán A 2.25-öt bemutatják az FCF-nek. Két típusra oszthatók. Az első típust FKV-nak nevezik, folyamatos fényvezető maggal. Szerkezetileg egy ilyen szál kvarcüveg mag formájában készül, fotonikus kristály héjában. Az ilyen szálak hullámtulajdonságait mind a teljes belső visszaverődés hatása, mind a fotonikus kristály sávtulajdonságai biztosítják. Ezért az alacsony rendű módusok széles spektrális tartományban terjednek az ilyen szálakban. A magasabb rendű módok a héjba tolódnak el, és ott leépülnek. Ebben az esetben a kristály hullámvezető tulajdonságait nulla rendű módokhoz a teljes belső visszaverődés hatása határozza meg. A fotonikus kristály sávszerkezete csak közvetetten nyilvánul meg.

A második típusú FKV üreges fényvezető maggal rendelkezik. A fény terjedhet a szál magján és a burkolaton keresztül is. A lényegében

Rizs. 2.25.

a - szakasz folyamatos fényvezető maggal;

6 - üreges fényvezető lakószálú szakaszon a törésmutató kisebb, mint a héj átlagos törésmutatója. Ez lehetővé teszi a szállított sugárzás teljesítményének jelentős növelését. Jelenleg olyan szálakat hoztak létre, amelyek vesztesége 0,58 dB / km hullámhosszon X= 1,55 µm, ami közel áll a szabványos egymódusú szál veszteségéhez (0,2 dB/km).

A fotonikus kristályszálak egyéb előnyei között megjegyezzük a következőket:

egymódusú üzemmód minden számított hullámhosszhoz;
a fő divatfoltok széles választéka;
a diszperziós együttható állandó és magas értéke 1,3-1,5 μm hullámhossz esetén és nulla diszperzió a látható spektrum hullámhosszainál;
szabályozott polarizációs értékek, csoportsebesség diszperziók, átviteli spektrum.

A fotonikus kristályburkolatú szálakat széles körben használják az optika, a lézerfizika és különösen a távközlési rendszerek problémáinak megoldására. Az utóbbi időben a fotonikus kristályokban fellépő különféle rezonanciák keltik fel az érdeklődést. A fotonikus kristályokban a polariton effektusok elektron- és fotonrezonanciák kölcsönhatása során jönnek létre. Az optikai hullámhossznál jóval kisebb periódusú fém-dielektromos nanoszerkezetek létrehozásakor olyan helyzet valósítható meg, amelyben a feltételek r

A fotonika fejlődésének igen jelentős termékei a távközlési száloptikai rendszerek. Működésük az információs jel elektro-optikai átalakításán, a modulált optikai jel száloptikai fényvezetővé történő továbbításán és az inverz opto-elektronikus átalakításon alapul.

A törésmutató változásának természete szerint a fotonikus kristályok három fő osztályba sorolhatók:

1. Egydimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik egy térbeli irányban, amint az a 2. ábrán látható. Ezen az ábrán az L szimbólum a törésmutató változásának periódusát jelöli, és két anyag törésmutatója ( de általában tetszőleges számú anyag jelen lehet). Az ilyen fotonikus kristályok különböző törésmutatójú, egymással párhuzamos, különböző anyagokból álló rétegekből állnak, és a rétegekre merőlegesen egy térirányban mutathatják ki tulajdonságaikat.

1. ábra - Egydimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

2. Kétdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik két térbeli irányban a 2. ábrán látható módon. Ezen az ábrán a fotonikus kristályt törésmutatójú téglalap alakú tartományok hoznak létre, amelyek törésmutatójú közegben vannak. Ebben az esetben a törésmutatóval rendelkező tartományok egy kétdimenziós köbös rácsban vannak rendezve. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat, és a törésmutatójú tartományok alakja nem korlátozódik téglalapokra, mint az ábrán, hanem bármilyen lehet (kör, ellipszis, tetszőleges stb.). A kristályrács, amelyben ezek a régiók vannak rendezve, szintén eltérő lehet, és nem csak köbös, mint az ábrán.

- 2. ábra Egy kétdimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

3. Háromdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan három térbeli irányban változik. Az ilyen fotonikus kristályok három térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és háromdimenziós kristályrácsba rendezett térfogati régiók (gömbök, kockák stb.) tömbjeként ábrázolhatók.

Vannak rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályok is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyeknek a frekvencia függvényében a permittivitásának (vagy törésmutatójának) van egy pólusa valamilyen rezonanciafrekvencián.

Az elektromos közegekhez hasonlóan a tiltott és engedélyezett zóna szélességétől függően a fotonikus kristályok vezetőkre oszthatók - amelyek kis veszteséggel képesek nagy távolságra fényt vezetni, dielektrikumok - szinte tökéletes tükrök, félvezetők - anyagok, amelyek pl. visszaverő bizonyos hullámhosszú fotonok és szupravezetők, amelyekben a kollektív jelenségeknek köszönhetően a fotonok gyakorlatilag korlátlan távolságra képesek terjedni. Vannak rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályok is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyeknek a frekvencia függvényében a permittivitásának (vagy törésmutatójának) van egy pólusa valamilyen rezonanciafrekvencián.

A fotonikus kristályok minden inhomogenitását fotonikus kristályhibának nevezzük. Az ilyen területeken gyakran koncentrálódik az elektromágneses tér, amelyet a fotonikus kristályokon alapuló mikrorezonátorokban és hullámvezetőkben használnak. Számos analógia létezik az elektromágneses hullámok fotonikus kristályokban való terjedésének és a kristályok elektronikus tulajdonságainak leírásában. Nézzünk meg néhányat ezek közül.

1. A kristályon belüli elektron állapotát (a mozgás törvényét) a Schrldinger-egyenlet megoldása adja meg, a fény terjedése a fotonikus kristályban a hullámegyenletnek engedelmeskedik, ami a Maxwell-egyenletek következménye:

2. Az elektron állapotát w(r, t) skaláris hullámfüggvény írja le, az elektromágneses hullám állapotát vektormezők - a mágneses vagy elektromos komponens erőssége, H (r, t) vagy E (r, t).
3. A w(r,t) elektronhullámfüggvény kiterjeszthető wE(r) sajátállapotok sorozatára, amelyek mindegyike a saját E energiájának felel meg. A H(r,t) elektromágneses térerősséget egy monokromatikus komponensek (módok) szuperpozíciója elektromágneses mező Hsh(r), amelyek mindegyike megfelel a saját értékének - a w mód frekvenciájának:

4. A Schrldinger- és Maxwell-egyenletekben szereplő U(r) atompotenciál és e(r) dielektromos permittivitás periodikus függvények, amelyek periódusai megegyeznek a kristályrács és a fotonikus kristály bármely R vektorával:

U(r) = U(r + R), (3)

5. Az elektron hullámfüggvényére és az elektromágneses tér erősségére a Bloch-tétel teljesül az u k és a periodikus függvényekkel. u k .

6. A k hullámvektorok lehetséges értékei kitöltik egy kristályrács Brillouin zónáját vagy egy fotonikus kristály egységcelláját, amely az inverz vektorok terében van megadva.
7. Az E elektronenergia, amely a Schrldinger-egyenlet sajátértéke, és a hullámegyenlet sajátértéke (a Maxwell-egyenletek következményei) - az u módusfrekvencia - összefügg a K hullámvektorok értékével. Bloch-függvények (4) az E(k) és u(k) diszperziós törvény szerint.
8. Az atomi potenciál transzlációs szimmetriáját megbontó szennyezőatom kristályhiba, és a hiba környezetében lokalizált szennyezőelektronikus állapotot hozhat létre. A fotonikus kristály egy bizonyos tartományában bekövetkező permittivitás változása megtöri az e(r) transzlációs szimmetriát, és egy megengedett módus megjelenéséhez vezet a fotonikus sáv résen belül, amely annak térbeli környezetében található.

(kristály szuperrács), amelyben mesterségesen egy további mezőt hoznak létre, amelynek periódusa nagyságrendekkel nagyobb, mint a főrács periódusa. Más szóval, ez egy olyan térben rendezett rendszer, amelyben a törésmutató szigorú periodikus változása a látható és közeli infravörös tartományban a sugárzás hullámhosszához hasonló skálán történik. Ennek köszönhetően az ilyen rácsok lehetővé teszik a fotonenergia megengedett és tiltott sávjainak elérését.

Általánosságban elmondható, hogy a fotonkristályban mozgó foton energiaspektruma hasonló a valódi kristályban, például egy félvezetőben lévő elektronok spektrumához. Itt is kialakulnak tiltott zónák, bizonyos frekvencia tartományban, ahol a fotonok szabad terjedése tilos. A permittivitás modulációs periódusa határozza meg a sávköz energiapozícióját, a visszavert sugárzás hullámhosszát. A sávközt pedig a permittivitás kontrasztja határozza meg.

A fotonikus kristályok tanulmányozása 1987-ben kezdődött, és nagyon gyorsan divatossá vált a világ számos vezető laboratóriumában. Az első fotonikus kristályt az 1990-es évek elején hozta létre a Bell Labs alkalmazottja, Eli Jablonowicz, aki jelenleg a Kaliforniai Egyetemen dolgozik. Ahhoz, hogy egy elektromos anyagban 3D periodikus rácsot kapjon, Eli Yablonovich hengeres lyukakat fúrt át egy maszkon oly módon, hogy az anyag térfogatában lévő hálózatuk felületközpontú üregek köbös rácsát képezzen, míg a permittivitást periódussal modulálták. 1 centiméteres mind a 3 méretben.

Tekintsünk egy fotonbeesést egy fotonikus kristályon. Ha ennek a fotonnak olyan energiája van, amely megfelel a fotonikus kristály sávközének, akkor nem fog tudni terjedni a kristályban, és visszaverődik róla. Ezzel szemben, ha egy foton energiája megfelel a kristály megengedett zónájának energiájának, akkor képes lesz terjedni a kristályban. Így a fotonikus kristálynak optikai szűrő funkciója van, amely bizonyos energiájú fotonokat továbbít vagy visszaveri.

A természetben az afrikai fecskefarkú pillangó szárnyai, a pávák és a féldrágakövek, például az opál és a gyöngyház rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal (1. ábra).

A fotonikus kristályokat a mérés során a törésmutató periodikus változásának irányai szerint osztályozzák:

1. Egydimenziós fotonikus kristályok. Az ilyen kristályokban a törésmutató egy térbeli irányban változik (1. ábra). Az egydimenziós fotonikus kristályok különböző törésmutatókkal rendelkező, egymással párhuzamos anyagok rétegeiből állnak. Az ilyen kristályok csak egy térbeli irányban mutatnak tulajdonságokat, amelyek merőlegesek a rétegekre.
2. Kétdimenziós fotonikus kristályok. Az ilyen kristályokban a törésmutató két térbeli irányban változik (2. ábra). Egy ilyen kristályban egy (n1) törésmutatójú régiók egy másik (n2) törésmutatójú közegben vannak. A törésmutatóval rendelkező tartományok alakja tetszőleges lehet, például maga a kristályrács. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat.
3. Háromdimenziós fotonikus kristályok. Az ilyen kristályokban a törésmutató három térbeli irányban változik (3. ábra). Az ilyen kristályok három térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat.

A fotonikus kristályok gyártási módszereinek osztályozása. A természetben a fotonikus kristályok ritkaságnak számítanak. Különleges irizáló fényjáték jellemzi őket - az irizációnak nevezett optikai jelenség (görögül - szivárvány). Ezen ásványok közé tartozik a kalcit, labradorit és az opál SiO 2 ×n∙H 2 O különféle zárványokkal. A leghíresebb közülük az opál - egy féldrágakő, amely egy kolloid kristály, amely monodiszperz gömb alakú szilícium-oxid gömbökből áll. Ez utóbbiban a fényjátékból származik az opálosság kifejezés, amely a sugárzás szórásának egy speciális típusát jelöli, amely csak erre a kristályra jellemző.

A fotonikus kristályok előállításának fő módszerei közé tartoznak a három csoportba sorolható módszerek:

1. Fotonikus kristályok spontán képződését alkalmazó módszerek. Ez a módszercsoport kolloid részecskéket, például monodiszperz szilikon vagy polisztirol részecskéket, valamint egyéb anyagokat használ. Az ilyen részecskék, amelyek a párolgás során folyékony gőzben vannak, bizonyos térfogatban lerakódnak. Ahogy a részecskék egymásra helyezkednek, háromdimenziós fotonikus kristályt alkotnak, és túlnyomórészt egy arcközpontú vagy hatszögletű kristályrácsba rendeződnek. Lehetőség van méhsejt-módszerre is, amely azon a folyadékon alapul, amelyben a részecskék találhatók, kis spórákon keresztül. Bár a méhsejt módszerrel viszonylag nagy sebességgel lehet kristályt képezni, amelyet a pórusokon átáramló folyadék sebessége határoz meg, azonban az ilyen kristályokban száradáskor hibák keletkeznek. Vannak más módszerek is, amelyek fotonikus kristályok spontán képződését alkalmazzák, de mindegyik módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Ezeket a módszereket leggyakrabban gömb alakú kolloid szilikon részecskék lerakására használják, azonban az így kapott törésmutató kontraszt viszonylag kicsi.

2. Objektummaratást használó módszerek. Ez a módszercsoport a félvezető felületén kialakított fotoreziszt maszkot alkalmaz, amely meghatározza a maratási tartomány geometriáját. Egy ilyen maszk segítségével a legegyszerűbb fotonikus kristályt egy olyan félvezető felületének maratásával állítják elő, amelyet nem fed le fotoreziszt. Ennek a módszernek a hátránya, hogy nagy felbontású fotolitográfiát kell alkalmazni tíz és száz nanométeres szinten. Fókuszált ionok, például Ga-nyalábokat is használnak fotonikus kristályok maratással történő előállítására. Az ilyen ionsugarak lehetővé teszik az anyag egy részének eltávolítását fotolitográfia és további maratás nélkül. A maratási sebesség növelésére és minőségének javítására, valamint a maratott területeken belüli anyagok lerakására további kezelést alkalmaznak a szükséges gázokkal.

3. Holografikus módszerek. Az ilyen módszerek a holográfia elveinek alkalmazásán alapulnak. A holográfia segítségével a törésmutató periodikus térbeli irányú változásai jönnek létre. Ehhez használja két vagy több koherens hullám interferenciáját, amely az elektromágneses sugárzás intenzitásának periodikus eloszlását hozza létre. Az egydimenziós fotonikus kristályok két hullám interferenciájával jönnek létre. A két- és háromdimenziós fotonikus kristályok három vagy több hullám interferenciájával jönnek létre.

A fotonikus kristályok előállítására szolgáló konkrét módszer kiválasztását nagymértékben meghatározza az a körülmény, hogy a szerkezetet milyen méretű - egydimenziós, kétdimenziós vagy háromdimenziós - kell gyártani.

Egydimenziós periodikus struktúrák. Az egydimenziós periodikus szerkezetek előállításának legegyszerűbb és legelterjedtebb módszere a polikristályos filmek vákuumrétegenkénti leválasztása dielektromos vagy félvezető anyagokból. Ez a módszer a periódusos struktúrák lézertükrök és interferenciaszűrők gyártása során történő alkalmazása kapcsán vált széles körben elterjedtté. Az ilyen szerkezetekben körülbelül 2-szer eltérő törésmutatójú anyagok (pl. ZnSe és Na 3 AlF 6) használatakor lehetőség van akár 300 nm széles spektrális reflexiós sávok (fotonikus sávhézagok) létrehozására, amelyek szinte lefedik a törésmutatót. a spektrum teljes látható tartománya.

A félvezető heterostruktúrák szintézisében az elmúlt évtizedekben elért előrelépések lehetővé teszik teljesen egykristályos szerkezetek létrehozását, a törésmutató periodikus változásával a növekedési irány mentén molekuláris nyaláb epitaxia vagy fémorganikus vegyületeket használó gőzleválasztás segítségével. Jelenleg az ilyen szerkezetek a függőleges üregekkel rendelkező félvezető lézerek részét képezik. Az anyagok törésmutatóinak jelenleg elérhető maximális aránya látszólag megfelel a GaAs/Al 2 O 3 párnak, és körülbelül 2. Meg kell jegyezni az ilyen tükrök kristályszerkezetének tökéletességét és a képződés pontosságát. rétegvastagság egy rácsperiódus szintjén (kb. 0,5 nm).

A közelmúltban bemutatták annak lehetőségét, hogy fotolitográfiai maszk és szelektív maratással periodikus egydimenziós félvezető szerkezeteket hozzanak létre. A szilícium maratásakor 1 μm-es vagy azt meghaladó periódusú szerkezeteket lehet létrehozni, miközben a szilícium és a levegő törésmutatójának aránya 3,4 a közeli infravörös tartományban, ami példátlanul magas érték, amely más szintézis módszerekkel nem érhető el. . A Fizikai-Műszaki Intézetben kapott példa hasonló szerkezetre. A. F. Ioffe RAS (Szentpétervár), az ábrán látható. 3.96.

Rizs. 3.96. Szilícium-levegő periodikus szerkezet, amelyet fotolitográfiai maszk segítségével anizotróp maratással nyernek (szerkezeti periódus 8 µm)

Kétdimenziós periodikus struktúrák. Félvezetők, fémek és dielektrikumok szelektív maratásával kétdimenziós periodikus szerkezetek állíthatók elő. A szelektív maratási technológiát szilíciumra és alumíniumra fejlesztették ki, mivel ezek az anyagok széles körben elterjedtek a mikroelektronikában. A porózus szilíciumot például ígéretes optikai anyagnak tekintik, amely lehetővé teszi integrált optoelektronikai rendszerek létrehozását magas fokú integrációval. A fejlett szilíciumtechnológiák kvantumméret-effektusokkal és a fotonikus sávok kialakításának elveivel kombinálva egy új irány – a szilíciumfotonika – kialakulásához vezetett.

A szubmikron litográfia használata maszkok kialakítására lehetővé teszi 300 nm vagy annál kisebb periódusú szilícium szerkezetek létrehozását. A látható sugárzás erős abszorpciója miatt a szilícium fotonikus kristályok csak a spektrum közeli és középső infravörös tartományában használhatók. A maratás és oxidáció kombinációja elvileg lehetővé teszi a periodikus szilícium-oxid-levegő szerkezetek kialakítását, ugyanakkor az alacsony törésmutató (1,45-ös komponens) nem teszi lehetővé teljes értékű sávrés kialakulását két dimenzióban.

Ígéretesnek tűnnek az A 3 B 5 félvezető vegyületek kétdimenziós periodikus szerkezetei, amelyeket szintén litográfiai maszkok vagy sablonok felhasználásával végzett szelektív maratással kapnak. Az A 3 B 5 vegyületek a modern optoelektronika fő anyagai. Az InP és GaAs vegyületek nagyobb sávszélességgel rendelkeznek, mint a szilíciumé, és ugyanazok a magas törésmutató-értékek, mint a szilíciumé, azaz 3,55 és 3,6.

Nagyon érdekesek az alumínium-oxid alapú periodikus szerkezetek (3.97a. ábra). Fémalumínium elektrokémiai maratásával állítják elő, amelynek felületén litográfia segítségével maszkot alakítanak ki. Elektron litográfiai sablonok segítségével tökéletes, 100 nm-nél kisebb pórusátmérőjű méhsejtre emlékeztető, kétdimenziós periodikus struktúrákat kaptunk. Megjegyzendő, hogy az alumínium szelektív maratása a maratási feltételek bizonyos kombinációja mellett lehetővé teszi, hogy bármilyen maszk vagy sablon használata nélkül is szabályos szerkezeteket kapjunk (3.97b. ábra). Ebben az esetben a pórusátmérő mindössze néhány nanométer lehet, ami a modern litográfiai eljárásoknál elérhetetlen. A pórusok periodicitása összefügg az alumínium oxidációs folyamatának önszabályozásával az elektrokémiai reakció során. A kezdeti vezető anyag (alumínium) a reakció során Al 2 O 3 -dá oxidálódik. Az alumínium-oxid film, amely dielektrikum, csökkenti az áramerősséget és lelassítja a reakciót. Ezen eljárások kombinációja lehetővé teszi egy önfenntartó reakciómód elérését, amelyben a folyamatos maratást az áram pórusokon való áthaladása teszi lehetővé, és a reakciótermék szabályos méhsejt-szerkezetet alkot. A pórusok bizonyos szabálytalansága (3.97b. ábra) az eredeti polikristályos alumíniumfólia szemcsés szerkezetének köszönhető.

Rizs. 3.97. Al 2 O 3 kétdimenziós fotonikus kristálya: a) litográfiai maszk felhasználásával készült; b) az oxidációs folyamat önszabályozása segítségével készült

A nanopórusos alumínium-oxid optikai tulajdonságainak vizsgálata ennek az anyagnak szokatlanul nagy átlátszóságát mutatta ki a pórusirány mentén. A Fresnel-reflexió hiánya, amely elkerülhetetlenül létezik a két folytonos közeg határfelületén, 98%-os transzmissziós értékekhez vezet. A pórusokra merőleges irányokban nagy visszaverődés figyelhető meg a beesési szögtől függő reflexiós együtthatóval.

A szilíciummal, gallium-arzeniddel és indium-foszfiddal ellentétben az alumínium-oxid viszonylag alacsony áteresztőképessége nem teszi lehetővé két dimenzióban teljes értékű sávrés kialakulását. Ennek ellenére a porózus alumínium-oxid optikai tulajdonságai meglehetősen érdekesek. Például kifejezett anizotróp fényszórása, valamint kettős törése van, ami lehetővé teszi a polarizációs sík elforgatását. Különféle kémiai módszerekkel lehetséges a pórusok kitöltése különféle oxidokkal, valamint optikailag aktív anyagokkal, például nemlineáris optikai közegekkel, szerves és szervetlen luminoforokkal, elektrolumineszcens vegyületekkel.

Háromdimenziós periodikus struktúrák. A háromdimenziós periodikus struktúrák olyan objektumok, amelyeknek a legnagyobb technológiai nehézségei vannak a kísérleti megvalósítás során. Történelmileg a háromdimenziós fotonikus kristály létrehozásának első módja az E. Yablonovich által javasolt, az anyag térfogatában hengeres lyukak mechanikus fúrásán alapuló módszer. Egy ilyen háromdimenziós periodikus szerkezet előállítása meglehetősen fáradságos feladat, ezért sok kutató más módszerekkel is próbálkozott fotonikus kristály létrehozásával. Így a Lin-Fleming módszernél szilícium-dioxid réteget visznek fel egy szilícium hordozóra, amelyben párhuzamos csíkokat alakítanak ki, amelyeket polikristályos szilíciummal töltenek meg. Továbbá a szilícium-dioxid felvitelének folyamata megismétlődik, de a csíkok merőlegesen alakulnak ki. A szükséges számú réteg létrehozása után a szilícium-oxidot maratással távolítják el. Ennek eredményeként poliszilícium rudakból álló "fahalom" keletkezik (3.98. ábra). Meg kell jegyezni, hogy a szubmikron elektronlitográfia és az anizotróp ionmaratás modern módszereinek alkalmazása lehetővé teszi 10 szerkezeti sejtnél kisebb vastagságú fotonikus kristályok előállítását.

Rizs. 3.98. 3D fotonikus szerkezet poliszilícium rudakból

Széles körben elterjedtek az önszerveződő struktúrák felhasználásán alapuló, látható tartományú fotonikus kristályok létrehozására szolgáló eljárások. A fotonikus kristályok gömbökből (golyókból) történő "összeállításának" ötlete a természettől származik. Ismeretes például, hogy a természetes opálok fotonikus kristályok tulajdonságaival rendelkeznek. A természetes ásványi opál kémiai összetétele szerint egy szilícium-dioxid-hidrogél SiO 2 × H 2 O változó víztartalommal: SiO 2 - 65 - 90 tömegszázalék. %; H20 - 4,5-20%; Al 2O 3 - legfeljebb 9%; Fe 2O 3 - legfeljebb 3%; TiO 2 - legfeljebb 5%. Elektronmikroszkópos vizsgálattal megállapították, hogy a természetes opálokat az α-SiO 2 gömb alakú, egymáshoz szorosan illeszkedő részecskéi alkotják, amelyek egyforma méretűek, 150-450 nm átmérőjűek. Mindegyik részecske kisebb, 5-50 nm átmérőjű gömb alakú képződményekből áll. A gömbölyű tömítő üregek amorf szilícium-oxiddal vannak kitöltve. A szórt fény intenzitását két tényező befolyásolja: az első a gömböcskék "ideális" szoros egymásra épülése, a második pedig az amorf és kristályos SiO 2 oxid törésmutatóinak különbsége. A nemes fekete opálok rendelkeznek a legjobb fényjátékkal (náluk a törésmutató értékének különbsége ~ 0,02).

Kolloid részecskékből gömb alakú fotonikus kristályokat lehet előállítani különféle módokon: természetes ülepítés (diszperz fázis kicsapása folyadékban vagy gázban gravitációs tér vagy centrifugális erők hatására), centrifugálással, membránok segítségével történő szűréssel, elektroforézissel stb. A gömb alakú részecskék kolloid polisztirol, polimetil-metakrilát, szilícium-dioxid α-SiO 2 részecskékként működnek.

A természetes csapadékleválasztás nagyon lassú folyamat, több hetet vagy akár hónapot is igénybe vesz. A centrifugálás nagymértékben felgyorsítja a kolloid kristályok képződését, de az így kapott anyagok kevésbé rendezettek, mivel nagy lerakódási sebesség mellett a részecskék méret szerinti szétválásának nincs ideje megtörténni. Az ülepedési folyamat felgyorsítására elektroforézist alkalmaznak: függőleges elektromos mezőt hoznak létre, amely a részecskék tömegétől függően „megváltoztatja” a gravitációt. A kapilláris erők alkalmazásán alapuló módszereket is alkalmaznak. A fő gondolat az, hogy a kapilláris erők hatására a meniszkusz határán a függőleges szubsztrátum és a szuszpenzió között kristályosodás megy végbe, és ahogy az oldószer elpárolog, finom rendezett szerkezet alakul ki. Ezenkívül függőleges hőmérsékleti gradienst alkalmaznak, amely lehetővé teszi a folyamat sebességének és a létrehozott kristály minőségének jobb optimalizálását a konvekciós áramok miatt. A technika megválasztását általában a keletkező kristályok minőségére vonatkozó követelmények és az előállításukra fordított idő határozzák meg.

A szintetikus opálok természetes ülepítéssel történő termesztésének technológiai folyamata több szakaszra osztható. Kezdetben gömb alakú szilícium-oxid gömböcskékből monodiszperz (~5%-os átmérő-eltérés) szuszpenziót készítenek. Az átlagos részecskeátmérő széles tartományban változhat: 200 és 1000 nm között. A monodiszperz kolloid szilícium-dioxid mikrorészecskék előállításának legismertebb módszere a tetraetoxi-szilán Si(C 2 H 4 OH) 4 hidrolízise víz-alkohol közegben, ammónium-hidroxid katalizátor jelenlétében. Ezzel a módszerrel szinte ideális gömb alakú, sima felületű, nagy fokú monodiszperzitású (3%-nál kisebb átmérőjű eltérésű) részecskék, valamint 200 nm-nél kisebb méretű, szűk méretű részecskék készíthetők. terjesztés. Az ilyen részecskék belső szerkezete fraktál: a részecskék egymáshoz szorosan illeszkedő kisebb gömbökből állnak (több tíz nanométer átmérőjű), és minden ilyen gömböt 10-100 atomból álló szilícium-polihidroxo komplexek alkotnak.

A következő szakasz a részecskék lerakódása (3.99. ábra). Több hónapig is eltarthat. A leválasztási lépés befejeztével szorosan egymásra épülő periodikus struktúra jön létre. Ezután a csapadékot szárítjuk és körülbelül 600 °C hőmérsékleten lágyítjuk. Az izzítás során a gömbök az érintkezési pontokon meglágyulnak és deformálódnak. Ennek eredményeként a szintetikus opálok porozitása kisebb, mint egy ideális sűrű, gömb alakú csomagolásé. A fotonikus kristály növekedési tengelyének irányára merőlegesen a gömböcskék erősen rendezett hatszögletű, szorosan egymásra épülő rétegeket alkotnak.

Rizs. 3.99. A szintetikus opálok termesztésének szakaszai: a) részecskék lerakódása;

b) a csapadék szárítása; c) minta lágyítás

ábrán A 3.100a pásztázó elektronmikroszkóppal készített szintetikus opál mikroképe. A gömbök mérete 855 nm. A nyitott porozitás jelenléte a szintetikus opálokban lehetővé teszi az üregek kitöltését különféle anyagokkal. Az opálmátrixok egymáshoz kapcsolódó nanoméretű pórusok háromdimenziós részrácsai. A pórusméretek több száz nanométer nagyságrendűek, a pórusokat összekötő csatornák mérete pedig a tíz nanométert is eléri. Ily módon fotonikus kristályokon alapuló nanokompozitokat kapnak. A jó minőségű nanokompozitok létrehozásánál a fő követelmény a nanopórusos tér kitöltésének teljessége. A töltést különféle módszerekkel hajtják végre: bejuttatás az olvadékban lévő oldatból; tömény oldatokkal való impregnálás, majd az oldószer elpárologtatása; elektrokémiai módszerek, kémiai gőzleválasztás stb.

Rizs. 3.100. Fotonikus kristályok mikrofelvételei: a) szintetikus opálból;

b) polisztirol mikrogömbökből

A szilícium-oxid ilyen kompozitokból történő szelektív maratása nagy porozitású (több mint 74%-os térfogat) térben rendezett nanostruktúrákat eredményez, amelyeket fordított vagy fordított opáloknak nevezünk. A fotonikus kristályok előállításának ezt a módszerét template módszernek nevezik. Rendezett monodiszperz kolloid részecskékként, amelyek fotonikus kristályt képeznek, nemcsak szilícium-oxid részecskék, hanem például polimerek is hatnak. ábrán látható egy példa polisztirol mikrogömbökön alapuló fotonikus kristályra. 3.100b

Bevezetés Az ősidők óta az ember, aki egy fotonikus kristályt talált, lenyűgözi benne egy különleges irizáló fényjáték. Kiderült, hogy a különféle állatok és rovarok pikkelyeinek és tollainak irizáló túlcsordulása a rajtuk lévő felépítményeknek köszönhető, amelyek fényvisszaverő tulajdonságaik miatt a fotonikus kristályok nevet kapták. A fotonikus kristályok a természetben találhatók: ásványokban (kalcit, labradorit, opál); a lepkék szárnyán; bogárhéjak; egyes rovarok szeme; algák; halpikkelyek; pávatollak. 3

Fotonikus kristályok Olyan anyag, amelynek szerkezetét a törésmutató periodikus térbeli változása jellemzi. Alumínium-oxid alapú fotonikus kristály. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH ÉS COSTAS M. SOUKOULIS „Tármidimenziós fotonikus-kristálysablonok direkt lézeres írása telekommunikációhoz”// Természetes anyagok 2. évf. 3,P

Egy kis történelem… 1887 Rayleigh volt az első, aki az elektromágneses hullámok periodikus struktúrákban történő terjedését vizsgálta, ami hasonló az egydimenziós fotonikus kristályhoz, a Photonic Crystalshoz – a kifejezést az 1980-as évek végén vezették be. a félvezetők optikai analógjának jelölésére. Ezek egy áttetsző dielektrikumból készült mesterséges kristályok, amelyekben rendezetten levegő "lyukak" keletkeznek. 5

Fotonikus kristályok – a világ energia jövője A magas hőmérsékletű fotonikus kristályok nemcsak energiaforrásként működhetnek, hanem rendkívül jó minőségű (energia-, vegyi) detektorként és érzékelőként is szolgálhatnak. A massachusettsi tudósok által létrehozott fotonikus kristályok wolfram és tantál alapúak. Ez a vegyület nagyon magas hőmérsékleten is kielégítően működik. Akár ˚С. Annak érdekében, hogy a fotonikus kristály elkezdjen átalakítani egyfajta energiát egy másik, kényelmesen használható energiaforrássá, bármilyen forrás (hő, rádiósugárzás, kemény sugárzás, napfény stb.) megteszi. 6

Az elektromágneses hullámok diszperziós törvénye fotonikus kristályban (kiterjesztett zónák diagramja). A jobb oldal a kristály adott irányára mutatja a frekvencia közötti kapcsolatot? valamint a ReQ (szilárd görbék) és az ImQ (szaggatott görbe az omega stop zónában) értékei -

Fotonikus réselmélet 1987-ig, amikor Eli Yablonovitch, a Bell Communications Research munkatársa (jelenleg az UCLA professzora) bevezette az elektromágneses sávrés fogalmát. A horizont bővítése: Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley előadása John Pendry előadása john-pendry-imperial-college/view 9

A természetben is megtalálhatók fotonikus kristályok: az afrikai fecskefarkú lepkék szárnyain a puhatestűek héjának gyöngyház bevonata, mint például a galiotis, a tengeri egér barna héja és a sokszínű féreg sörtéi. Fotó egy opál karkötőről. Az opál természetes fotonikus kristály. „A megtévesztő remények kövének” hívják 10

Nincs melegítés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása" title="(!LANG: Az FA-alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmus) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegítés és a pigmentbevonat fotokémiai megsemmisülése" class="link_thumb"> 12 !} Az FA alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmus) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása. A forró éghajlaton élő lepkék szárnya irizáló mintázatú, és a felszínen lévő fotonikus kristály szerkezete csökkenti a fényelnyelést, és ezáltal a szárnyak felmelegedését. A tengeri egér már régóta használ fotonikus kristályokat. 12 nincs felmelegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolódása "> nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolódása A forró éghajlaton élő pillangók irizáló szárnymintázatúak, a felületen lévő fotonikus kristály szerkezete, mint kiderült, csökkenti a fényelnyelés és ennek következtében a szárnyak felmelegedése A tengeri egér már régóta alkalmaz fotonikus kristályokat a gyakorlatban. , => nincs melegedés és a pigment fotokémiai roncsolása"> title="Az FA alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmussal) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása"> !}

Morpho didius irizáló pillangó és szárnyának mikroképe a diffrakciós biológiai mikrostruktúra példájaként. Irizáló természetes opál (féldrágakő) és mikroszerkezetének képe, amely szorosan egymásra helyezett szilícium-dioxid gömbökből áll. tizenhárom

A fotonikus kristályok osztályozása 1. Egydimenziós. Amelyben a törésmutató periodikusan egy térbeli irányban változik az ábrán látható módon. Ezen az ábrán a Λ szimbólum a törésmutató változásának periódusát és a két anyag törésmutatóját jelöli (de általában bármennyi anyag jelen lehet). Az ilyen fotonikus kristályok különböző törésmutatójú, egymással párhuzamos, különböző anyagokból álló rétegekből állnak, és a rétegekre merőlegesen egy térirányban mutathatják ki tulajdonságaikat. 14

2. Kétdimenziós. Amelyben a törésmutató az ábrán látható módon két térbeli irányban periodikusan változik. Ezen az ábrán egy fotonikus kristályt n1 törésmutatójú téglalap alakú régiók hoznak létre, amelyek n2 törésmutatójú közegben vannak. Ebben az esetben az n1 törésmutatójú tartományok egy kétdimenziós köbös rácsban vannak rendezve. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat, és az n1 törésmutatójú régiók alakja nem korlátozódik a téglalapokra, mint az ábrán, hanem bármilyen lehet (kör, ellipszis, tetszőleges stb.). A kristályrács, amelyben ezek a régiók vannak rendezve, szintén eltérő lehet, és nem csak köbös, mint az ábrán. 15

3. Háromdimenziós. Amelyben a törésmutató periodikusan három térbeli irányban változik. Az ilyen fotonikus kristályok három térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és háromdimenziós kristályrácsba rendezett térfogati régiók (gömbök, kockák stb.) tömbjeként ábrázolhatók. tizenhat

Fotonikus kristályok alkalmazásai Az első alkalmazás a spektrális csatorna szétválasztás. Sok esetben nem egy, hanem több fényjel halad végig egy optikai szálon. Néha válogatni kell őket – mindegyiket külön úton kell elküldeni. Például - egy optikai telefonkábel, amelyen keresztül egyszerre több beszélgetés zajlik különböző hullámhosszokon. A fotonikus kristály ideális eszköz a kívánt hullámhossz "faragásához" a folyamból és oda irányításához, ahol szükséges. A második egy kereszt a fényáramokhoz. Egy ilyen eszköz, amely megvédi a fénycsatornákat a kölcsönös befolyásolástól, amikor azok fizikailag kereszteződnek, feltétlenül szükséges a könnyű számítógép és a könnyű számítógépes chipek létrehozásakor. 17

Fotonikus kristályok a távközlésben Nem sok év telt el az első fejlesztések kezdete óta, amikor a befektetők számára világossá vált, hogy a fotonikus kristályok alapvetően új típusú optikai anyagok, és fényes jövő előtt állnak. Az optikai tartományba tartozó fotonikus kristályok kereskedelmi alkalmazási szintre való kifejlesztése nagy valószínűséggel a távközlés területén fog bekövetkezni. tizennyolc

A litográfiai és holografikus módszerek előnyei és hátrányai az FC Pluss megszerzésére: a kialakított szerkezet magas minősége. Gyors gyártási sebesség Könnyű tömeggyártás Hátrányok Drága berendezés szükséges Lehetséges élélesség-romlás Nehéz összeállítások elkészítése 22

Az alján lévő közeli képen látható a fennmaradó 10 nm-es nagyságrendű érdesség. Ugyanez az érdesség látható holografikus litográfiával készült SU-8 sablonjainkon is. Ez egyértelműen azt mutatja, hogy ez az érdesség nem a gyártási folyamathoz kapcsolódik, hanem inkább a fotoreziszt végső felbontásához. 24

Ahhoz, hogy a PBG-k alapvető hullámhosszait távközlési módban 1,5 µm-ről és 1,3 µm-ről elmozdítsuk, 1 µm vagy kisebb távolságra van szükség a rudak síkjában. A legyártott mintákkal van egy probléma: a rudak kezdenek érintkezni egymással, ami a frakció nemkívánatos nagymértékű kitöltéséhez vezet. Megoldás: A rúd átmérőjének csökkentése, ezáltal a frakció feltöltése oxigénplazmában való maratással 26

A PC optikai tulajdonságai A közeg periodicitása miatt a fotonikus kristályon belüli sugárzás terjedése hasonlóvá válik egy közönséges kristályon belüli elektron mozgásához, periodikus potenciál hatására. A PC sávszerkezetében bizonyos körülmények között rések keletkeznek, hasonlóan a természetes kristályok tiltott elektronikus sávjaihoz. 27

Kétdimenziós periodikus fotonikus kristályt kapunk szilícium-dioxid szubsztrátra négyzetes fészekben ültetett függőleges dielektromos rudak periodikus szerkezetének kialakításával. A "hibák" fotonikus kristályba helyezésével olyan hullámvezetőket lehet létrehozni, amelyek bármilyen szögben meghajlítva 100%-os áteresztőképességet adnak Kétdimenziós fotonikus struktúrák sávszélességgel 28

Új módszer polarizációérzékeny fotonikus sávrésekkel rendelkező szerkezet előállítására Megközelítés kidolgozása fotonikus sávrés szerkezetének más optikai és optoelektronikai eszközökkel való kombinálására Rövid- és hosszúhullámú sávhatárok megfigyelése. A tapasztalat célja: 29

A fotonikus sávrés (PBG) szerkezetének tulajdonságait meghatározó fő tényezők a töréskontraszt, a magas és alacsony anyagindexek aránya a rácsban, valamint a rácselemek elrendezése. A használt hullámvezető konfigurációja hasonló a félvezető lézeréhez. A tömb nagyon kicsi (100 nm átmérőjű), a hullámvezető magjára lyukakat martak, amelyek hatszögletű rácsot alkottak 30

2a ábra A rács és a Brillouin zóna vázlata, amely szemlélteti a szimmetria irányait egy vízszintes, szorosan egymásra épülő rácsban. b, c Átviteli jellemzők mérése 19 nm-es fotonikus rácson. 31 Brillouin zóna szimmetrikus irányokkal

4. ábra Az 1 (a) és 2 (b) sávnak megfelelő haladó hullámok profiljainak elektromos mezőjének fényképei, a TM polarizáció K pontja közelében. Az a-ban a mezőnek ugyanolyan reflexiós szimmetriája van az y-z síkról, mint a síkhullámnak, ezért könnyen kölcsönhatásba kell lépnie a bejövő síkhullámmal. Ezzel szemben b-ben a mező aszimmetrikus, ami nem teszi lehetővé ennek a kölcsönhatásnak a létrejöttét. 33

Következtetések: A PBG szerkezetek tükörként és elemként használhatók a félvezető lézerek emissziójának közvetlen szabályozására A PBG koncepciók bemutatása a hullámvezető geometriában lehetővé teszi nagyon kompakt optikai elemek megvalósítását. hogy lehetőség lesz nemlineáris effektusok alkalmazására 34

Hasonló cikkek