En la última década, el desarrollo de la microelectrónica se ha ralentizado, ya que prácticamente se han alcanzado las limitaciones en la velocidad de los dispositivos semiconductores estándar. Cada vez se dedican más estudios al desarrollo de campos alternativos a la electrónica de semiconductores, como la espintrónica, la microelectrónica con elementos superconductores, la fotónica y algunos otros.
El nuevo principio de transmitir y procesar información utilizando una luz en lugar de una señal eléctrica puede acelerar el inicio de una nueva etapa en la era de la información.
De cristales simples a fotónicos
La base de los dispositivos electrónicos del futuro pueden ser los cristales fotónicos, que son materiales sintéticos ordenados en los que la constante dieléctrica cambia periódicamente dentro de la estructura. En la red cristalina de un semiconductor tradicional, la regularidad, la periodicidad de la disposición de los átomos conduce a la formación de la llamada estructura de bandas de energía, con bandas permitidas y prohibidas. Un electrón, cuya energía cae en la zona permitida, puede moverse a través del cristal, mientras que un electrón con energía en la zona prohibida está "bloqueado".
Por analogía con un cristal ordinario, surgió la idea de un cristal fotónico. En él, la periodicidad de la constante dieléctrica determina la aparición de zonas fotónicas, en particular, las prohibidas, dentro de las cuales se suprime la propagación de la luz con una determinada longitud de onda. Es decir, al ser transparentes a un amplio espectro de radiación electromagnética, los cristales fotónicos no transmiten luz con una longitud de onda seleccionada (igual al doble del período de la estructura a lo largo del camino óptico).
Los cristales fotónicos pueden tener diferentes dimensiones. Los cristales unidimensionales (1D) son una estructura multicapa de capas alternas con diferentes índices de refracción. Los cristales fotónicos bidimensionales (2D) se pueden representar como una estructura periódica de varillas con diferentes constantes dieléctricas. Los primeros prototipos sintéticos de cristales fotónicos eran tridimensionales y fueron creados a principios de la década de 1990 por empleados del centro de investigación. Laboratorios Bell(EE.UU). Para obtener una celosía periódica en un material dieléctrico, los científicos estadounidenses perforaron agujeros cilíndricos de tal manera que se obtuviera una red tridimensional de vacíos. Para que un material se convierta en un cristal fotónico, su constante dieléctrica se moduló con un período de 1 centímetro en las tres dimensiones.
Los análogos naturales de los cristales fotónicos son los revestimientos de nácar de las conchas (1D), las antenas de un ratón marino, el gusano poliqueto (2D), las alas de una mariposa africana de un velero y las piedras semipreciosas como el ópalo (3D).
Pero incluso hoy, incluso con la ayuda de los métodos más modernos y costosos de litografía electrónica y grabado con iones anisotrópicos, es difícil producir cristales fotónicos tridimensionales sin defectos con un espesor de más de 10 celdas estructurales.
Los cristales fotónicos deberían encontrar una amplia aplicación en las tecnologías fotónicas integradas, que en el futuro reemplazarán a los circuitos eléctricos integrados en las computadoras. Al transmitir información utilizando fotones en lugar de electrones, el consumo de energía disminuirá drásticamente, las frecuencias de reloj y la tasa de transferencia de información aumentarán.
Cristal de óxido de titanio fotónico
El óxido de titanio TiO2 posee un conjunto de características únicas como un alto índice de refracción, estabilidad química y baja toxicidad, lo que lo convierte en el material más prometedor para la creación de cristales fotónicos unidimensionales. Si consideramos los cristales fotónicos para las células solares, el óxido de titanio se beneficia de sus propiedades semiconductoras. Anteriormente, se demostró un aumento en la eficiencia de las células solares al usar una capa semiconductora con una estructura periódica de un cristal fotónico, incluidos los cristales fotónicos de óxido de titanio.
Pero hasta ahora, el uso de cristales fotónicos a base de dióxido de titanio está limitado por la falta de una tecnología reproducible y económica para su creación.
Los empleados de la Facultad de Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad Estatal de Moscú, Nina Sapoletova, Sergey Kushnir y Kirill Napolsky, han mejorado la síntesis de cristales fotónicos unidimensionales basados en películas porosas de óxido de titanio.
“La anodización (oxidación electroquímica) de metales de válvulas, incluidos el aluminio y el titanio, es un método eficaz para producir películas de óxido poroso con canales de tamaño nanométrico”, explicó Kirill Napolsky, director del grupo de nanoestructuración electroquímica, Ph.D.
La anodización se realiza generalmente en una celda electroquímica de dos electrodos. Dos placas de metal, el cátodo y el ánodo, se introducen en la solución de electrolito y se aplica un voltaje eléctrico. El hidrógeno se libera en el cátodo y la oxidación electroquímica del metal se produce en el ánodo. Si el voltaje aplicado a la celda se cambia periódicamente, entonces se forma una película porosa con un determinado espesor de porosidad en el ánodo.
El índice de refracción efectivo se modulará si el diámetro de los poros cambia periódicamente dentro de la estructura. Las técnicas de anodizado de titanio desarrolladas anteriormente no permitían obtener materiales con un alto grado de periodicidad estructural. Los químicos de la Universidad Estatal de Moscú han desarrollado un nuevo método de anodización de metales con modulación de voltaje en función de la carga de anodización, que permite la creación de óxidos metálicos anódicos porosos con alta precisión. Los químicos han demostrado el potencial de la nueva técnica utilizando el ejemplo de cristales fotónicos unidimensionales de óxido de titanio anódico.
Como resultado de cambiar el voltaje de anodización de acuerdo con una ley sinusoidal en el rango de 40-60 voltios, los científicos obtuvieron nanotubos de óxido de titanio anódico con un diámetro externo constante y un diámetro interno que cambia periódicamente (ver figura).
“Las técnicas de anodizado utilizadas anteriormente no permitían obtener materiales con un alto grado de periodicidad estructural. Hemos desarrollado una nueva técnica, cuyo componente clave es en el lugar(directamente durante la síntesis) medición de la carga de anodización, que permite un control de alta precisión del espesor de capas con diferentes porosidades en la película de óxido formada ”, explicó uno de los autores del trabajo, candidato de ciencias químicas Sergey Kushnir.
La técnica desarrollada simplificará la creación de nuevos materiales con una estructura modulada a base de óxidos metálicos anódicos. “Si consideramos el uso de cristales fotónicos de óxido de titanio anódico en las células solares como un uso práctico de la técnica, entonces todavía se ha realizado un estudio sistemático del efecto de los parámetros estructurales de dichos cristales fotónicos sobre la eficiencia de la conversión de la luz en las células solares. ", dijo Sergei Kushnir.
) — material, cuya estructura se caracteriza por un cambio periódico en el índice de refracción en 1, 2 o 3 direcciones espaciales.
Descripción
Una característica distintiva de los cristales fotónicos (PC) es la presencia de cambios espacialmente periódicos en el índice de refracción. Dependiendo del número de direcciones espaciales a lo largo de las cuales el índice de refracción cambia periódicamente, los cristales fotónicos se denominan unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales, o se abrevian como 1D PC, 2D PC y 3D PC (D - de la dimensión inglesa) , respectivamente. La estructura de una PC 2D y una PC 3D se muestra convencionalmente en la Fig.
La característica más llamativa de los cristales fotónicos es la existencia en un PC 3D con un contraste suficientemente alto de los índices de refracción de los componentes de ciertas regiones espectrales, que se denominan bandas fotónicas totales (PBGs): la existencia de radiación con energía fotónica perteneciente al PBG en tales cristales es imposible. En particular, la radiación, cuyo espectro pertenece al PBG, no penetra en el PC desde el exterior, no puede existir en él y se refleja completamente desde el límite. La prohibición se infringe solo en presencia de defectos estructurales o en el caso de un tamaño de PC limitado. En este caso, los defectos lineales creados intencionalmente tienen bajas pérdidas por flexión (radios de curvatura de hasta micrones), los defectos puntuales son resonadores en miniatura. La implementación práctica de las capacidades potenciales de las PC 3D basadas en las amplias posibilidades de controlar las características de los haces de luz (fotones) apenas está comenzando. Se ve obstaculizado por la falta de métodos efectivos para crear PC 3D de alta calidad, métodos para la formación específica de inhomogeneidades locales, defectos lineales y puntuales en ellos, así como métodos para interactuar con otros dispositivos fotónicos y electrónicos.
Se ha logrado un progreso significativamente mayor en el camino de la aplicación práctica de los PC 2D, que se utilizan, por regla general, en forma de cristales fotónicos planos (película) o en forma de PCF (ver detalles en los artículos correspondientes).
Los PCF son una estructura bidimensional con un defecto en la parte central, alargada en dirección perpendicular. Al ser un tipo fundamentalmente nuevo de fibras ópticas, las PCF brindan posibilidades inaccesibles para otros tipos de transporte de ondas de luz y de control de señales de luz.
Los PC unidimensionales (PC 1D) son una estructura multicapa de capas alternas con diferentes índices de refracción. En óptica clásica, mucho antes de la aparición del término "cristal fotónico", era bien sabido que en tales estructuras periódicas la naturaleza de la propagación de las ondas de luz cambia significativamente debido a los fenómenos de interferencia y difracción. Por ejemplo, los recubrimientos reflectantes multicapa se han utilizado ampliamente durante mucho tiempo para la fabricación de espejos y filtros de interferencia de película, y rejillas de Bragg de volumen como selectores y filtros espectrales. Después de que el término PC se volvió ampliamente utilizado, tales medios en capas, en los que el índice de refracción cambia periódicamente en una dirección, comenzaron a atribuirse a la clase de cristales fotónicos unidimensionales. Con una incidencia de luz perpendicular, la dependencia espectral de la reflectancia de los recubrimientos multicapa es la denominada "tabla de Bragg": en ciertas longitudes de onda, la reflectancia se acerca rápidamente a la unidad con un aumento en el número de capas. Las ondas de luz que caen en el rango espectral que se muestra en la Fig. b flecha, se reflejan casi por completo en la estructura periódica. En terminología de PC, este rango de longitud de onda y el rango correspondiente de energías de fotones (o banda de energía) está prohibido para ondas de luz que se propagan perpendicularmente a las capas.
El potencial para aplicaciones prácticas de las PC es enorme debido a las posibilidades únicas de controlar fotones y aún no se ha revelado por completo. No cabe duda de que en los próximos años se propondrán nuevos dispositivos y elementos estructurales, posiblemente fundamentalmente diferentes a los que se utilizan o desarrollan en la actualidad.
Las enormes perspectivas para la aplicación de cristales fotónicos en fotónica se concretaron después de la publicación de un artículo de E. Yablonovich, en el que se propuso utilizar un cristal fotónico con PBG completos para controlar el espectro de emisión espontánea.
Entre los dispositivos fotónicos que se pueden esperar en un futuro cercano se encuentran los siguientes:
- láseres de PC ultrapequeños y de bajo umbral;
- PC superbrillantes con espectro de emisión controlado;
- guías de onda de PC subminiatura con radio de curvatura de micrones;
- circuitos integrados fotónicos con un alto grado de integración basados en PC planas;
- filtros espectrales de PC en miniatura, incluidos filtros sintonizables;
- FC dispositivos de memoria óptica operativa;
- Dispositivos FC para procesar señales ópticas;
- Sistemas de suministro de radiación láser de alta potencia basados en PCF de núcleo hueco.
La aplicación más tentadora, pero también la más difícil de implementar, de las PC tridimensionales es la creación de complejos integrados volumétricos ultragrandes de dispositivos fotónicos y electrónicos para el procesamiento de información.
Otros posibles usos de los cristales fotónicos 3D incluyen la fabricación de joyas a partir de ópalos artificiales.
Los cristales fotónicos se encuentran en la naturaleza, dando tonos adicionales de color al mundo que nos rodea. Por ejemplo, el revestimiento de nácar de las conchas de los moluscos, como los haliotis, tiene una estructura de PC 1D, las antenas de un ratón marino y las cerdas de un gusano poliqueto son PC 2D, y las piedras semipreciosas naturales de los ópalos y Las alas de las mariposas pez vela africanas (Papilio ulysses) son cristales fotónicos tridimensionales naturales.
Ilustraciones
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a- la estructura de PC bidimensionales (superior) y tridimensionales (inferior); B- zona prohibida de un cristal fotónico unidimensional formado por capas de cuarto de onda GaAs / AlxOy (el valor de la zona prohibida se indica con la flecha); v- FC invertido de níquel, obtenido por el personal de la Universidad Estatal de Moscú FNM. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky y A.A. Eliseev |
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Introducción Desde la antigüedad, una persona que ha encontrado un cristal fotónico ha estado fascinada por un juego de luces especial del arco iris. Se encontró que el desbordamiento iridiscente de escamas y plumas de varios animales e insectos se debe a la existencia de superestructuras en ellos, que se denominan cristales fotónicos por sus propiedades reflectantes. Los cristales fotónicos se encuentran en la naturaleza en / sobre: minerales (calcita, labradorita, ópalo); en alas de mariposas; conchas de escarabajos; los ojos de algunos insectos; algas; pescado chushuykah; plumas de pavo real. 3
Cristales fotónicos Es un material cuya estructura se caracteriza por cambios periódicos en el índice de refracción en direcciones espaciales Cristal fotónico a base de óxido de aluminio. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH Y COSTAS M. SOUKOULIS "Escritura láser directa de plantillas tridimensionales de cristal fotónico para telecomunicaciones" // Nature materials Vol. 3, P
Un poco de historia ... 1887 Rayleigh investigó por primera vez la propagación de ondas electromagnéticas en estructuras periódicas, que es análoga al cristal fotónico unidimensional Cristales Fotónicos; el término se introdujo a fines de la década de 1980. para indicar el análogo óptico de semiconductores. Estos son cristales artificiales hechos de un dieléctrico translúcido, en los que se crean "agujeros" de aire de manera ordenada. 5
Cristales fotónicos: el futuro de la energía del mundo Los cristales fotónicos de alta temperatura pueden actuar no solo como fuente de energía, sino también como detectores y sensores de muy alta calidad (energía, productos químicos). Los cristales fotónicos creados por científicos de Massachusetts se basan en tungsteno y tantalio. Esta conexión es capaz de funcionar satisfactoriamente a temperaturas muy altas. Hasta ˚С. Para que un cristal fotónico comience a convertir un tipo de energía en otro, conveniente para su uso, cualquier fuente (térmica, radiación de radio, radiación fuerte, luz solar, etc.) es adecuada. 6
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Ley de dispersión de ondas electromagnéticas en un cristal fotónico (diagrama de zona extendido). En el lado derecho, para una dirección dada en el cristal, ¿la relación entre la frecuencia? y las cantidades ReQ (curvas sólidas) e ImQ (curva punteada en la zona de parada omega -
Teoría de las brechas de banda fotónica No fue hasta 1987 cuando Eli Yablonovitch de Bell Communications Research (ahora profesor en la Universidad de California, Los Ángeles) introdujo el concepto de una brecha de banda electromagnética. Para ampliar sus horizontes: Conferencia de Eli Yablonovich yablonovitch-uc-berkeley / vista Conferencia de John Pendry john-pendry-imperial-college / vista 9
En la naturaleza, también se encuentran cristales fotónicos: en las alas de las mariposas navegantes africanas, el recubrimiento de nácar de conchas de moluscos como galliotis, antenas de ratón de mar y cerdas de gusano poliqueto. Foto de una pulsera con ópalo. El ópalo es un cristal fotónico natural. Se le llama la "piedra de las esperanzas engañosas" 10
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Sin calentamiento y destrucción fotoquímica del pigmento por "title =" (! LANG: Ventajas de los filtros basados en PK sobre el mecanismo de absorción (mecanismo de absorción) para organismos vivos: La coloración por interferencia no requiere absorción y disipación de energía luminosa, => no calentamiento y destrucción fotoquímica del pigmento" class="link_thumb"> 12 !} Ventajas de los filtros basados en PK sobre el mecanismo de absorción (mecanismo de absorción) para los organismos vivos: La coloración de interferencia no requiere absorción y disipación de energía luminosa, => sin calentamiento y destrucción fotoquímica del recubrimiento pigmentario. Las mariposas que viven en climas cálidos tienen patrones de alas iridiscentes, y resultó que la estructura del cristal fotónico en la superficie reduce la absorción de luz y, por lo tanto, el calentamiento de las alas. El ratón de mar ha estado utilizando cristales fotónicos en la práctica durante mucho tiempo. 12 no hay calentamiento ni destrucción fotoquímica del recubrimiento de pigmento "> no hay calentamiento ni destrucción fotoquímica del recubrimiento de pigmento. Las mariposas que viven en climas cálidos tienen alas iridiscentes, y la estructura del cristal fotónico en la superficie, como resultó, reduce la absorción de luz y, consecuentemente, el calentamiento de las alas. Lleva mucho tiempo usando cristales fotónicos en la práctica. 12 "> sin calentamiento y destrucción fotoquímica del pigmento por" title = "(! LANG: Ventajas de los filtros basados en PK sobre el mecanismo de absorción (mecanismo de absorción) para organismos vivos: la coloración de interferencia no requiere absorción y disipación de energía luminosa, => sin calentamiento y destrucción fotoquímica del pigmento por"> title="Ventajas de los filtros basados en PK sobre el mecanismo de absorción (mecanismo de absorción) para los organismos vivos: la coloración de interferencia no requiere absorción y disipación de energía luminosa, => no hay calentamiento ni destrucción fotoquímica de la materia pigmentaria"> !}
Mariposa Morpho didius con coloración arcoíris y una micrografía de su ala como ejemplo de una microestructura biológica difractiva. Ópalo natural iridiscente (piedra semipreciosa) y la imagen de su microestructura, formada por esferas muy compactas de dióxido de silicio. trece
Clasificación de cristales fotónicos 1. Unidimensional. En el que el índice de refracción cambia periódicamente en una dirección espacial como se muestra en la figura. En esta figura, el símbolo Λ denota el período de cambio del índice de refracción y los índices de refracción de los dos materiales (pero, en general, puede estar presente cualquier cantidad de materiales). Dichos cristales fotónicos consisten en capas de diferentes materiales paralelos entre sí con diferentes índices de refracción y pueden manifestar sus propiedades en una dirección espacial perpendicular a las capas. 14
2. Bidimensional. En el que el índice de refracción cambia periódicamente en dos direcciones espaciales como se muestra en la figura. En esta figura, se crea un cristal fotónico mediante regiones rectangulares con un índice de refracción n1, que se encuentran en un medio con un índice de refracción n2. Además, las regiones con el índice de refracción n1 están ordenadas en una red cúbica bidimensional. Dichos cristales fotónicos pueden manifestar sus propiedades en dos direcciones espaciales, y la forma de las regiones con un índice de refracción n1 no se limita a rectángulos, como en la figura, sino que puede ser arbitraria (círculos, elipses, arbitraria, etc.). La red cristalina en la que se ordenan estas regiones también puede ser diferente, y no solo cúbica, como en la figura anterior. 15
3. Tridimensional. En el que el índice de refracción cambia periódicamente en tres direcciones espaciales. Estos cristales fotónicos pueden manifestar sus propiedades en tres direcciones espaciales y pueden representarse como una matriz de regiones volumétricas (esferas, cubos, etc.), ordenadas en una red cristalina tridimensional. dieciséis
Aplicaciones de cristales fotónicos La primera aplicación es la separación espectral de canales. En muchos casos, no una, sino varias señales luminosas pasan a lo largo de la fibra óptica. A veces es necesario clasificarlos para dirigirlos a lo largo de un camino separado. Por ejemplo, un cable telefónico óptico, a través del cual pasan varias conversaciones simultáneamente en diferentes longitudes de onda. Un cristal fotónico es ideal para "cortar" la longitud de onda deseada de un flujo y dirigirlo hacia donde lo desee. El segundo es una cruz para flujos de luz. Tal dispositivo, que protege contra la influencia mutua de los canales de luz en su intersección física, es absolutamente necesario al crear una computadora liviana y chips de computadora livianos. 17
El cristal fotónico en las telecomunicaciones No han pasado muchos años desde el comienzo de los primeros desarrollos, cuando quedó claro para los inversores que los cristales fotónicos son materiales ópticos de un tipo fundamentalmente nuevo y que tienen un futuro brillante. La liberación del desarrollo de cristales fotónicos del rango óptico al nivel de uso comercial, muy probablemente, ocurrirá en el campo de las telecomunicaciones. Dieciocho
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Ventajas y desventajas de los métodos litográficos y holográficos para la obtención de PC. Ventajas: alta calidad de la estructura formada. Velocidad de producción rápida Conveniente en la producción en masa Contras Se requiere equipo costoso Deterioro potencial de la nitidez de los bordes Dificultad para realizar ajustes
El primer plano en la parte inferior muestra la rugosidad restante del orden de 10 nm. La misma rugosidad es visible en nuestras plantillas SU-8 producidas por litografía holográfica. Esto muestra claramente que esta rugosidad no está relacionada con el proceso de fabricación, sino con la resolución final del fotorresistente. 24
Para mover PBG fundamentales de longitudes de onda en modo de telecomunicaciones de 1,5 µm a 1,3 µm, es necesario tener una distancia de aproximadamente 1 µm o menos en el plano de las varillas. Las muestras producidas tienen un problema: las varillas comienzan a tocarse entre sí, lo que conduce a un alto llenado indeseable de la fracción. Solución: Reducir el diámetro de la varilla, llenando así la fracción, grabando en plasma de oxígeno 26
Propiedades ópticas de los cristales fotónicos La propagación de la radiación dentro de un cristal fotónico debido a la periodicidad del medio se vuelve similar al movimiento de un electrón dentro de un cristal ordinario bajo la acción de un potencial periódico. Bajo ciertas condiciones, se forman huecos en la estructura de bandas de un cristal fotónico, similar a las bandas prohibidas de electrones en los cristales naturales. 27
Un cristal fotónico periódico bidimensional se obtiene formando una estructura periódica de varillas dieléctricas verticales, plantadas de forma cuadrada sobre un sustrato de dióxido de silicio. Al colocar "defectos" en un cristal fotónico, es posible crear guías de ondas que se doblan en cualquier ángulo para dar una transmisión del 100% Estructuras fotónicas bidimensionales con una banda prohibida 28
Un nuevo método para obtener una estructura con bandgaps fotónicos sensibles a la polarización.Desarrollo de un enfoque para combinar la estructura de un bandgap fotónico con otros dispositivos ópticos y optoelectrónicos.Observación del rango de longitud de onda corta y larga. El objetivo del experimento es: 29
Los principales factores que determinan las propiedades de una estructura de banda prohibida fotónica (PBG) son el contraste de refracción, la proporción de relaciones de material altas y bajas en la red y la disposición de los elementos de la red. La configuración de la guía de ondas utilizada es comparable a la de un láser semiconductor. Se grabaron orificios muy pequeños (100 nm de diámetro) en el núcleo de la guía de ondas, formando una rejilla hexagonal 30
Fig.2 un bosquejo de una celosía y una zona de Brillouin que ilustra las direcciones de simetría en una celosía horizontal estrechamente "empaquetada". b, c Medición de las características de transmisión en una rejilla fotónica de 19 nm. 31 zonas de Brillouin con direcciones simétricas Espacio real de la red Transmisión
Fig.4 Fotografías del campo eléctrico de los perfiles de ondas viajeras correspondientes a la banda 1 (a) y la banda 2 (b), cerca del punto K para la polarización TM. En a, el campo tiene la misma simetría reflectante sobre el plano y-z que la onda plana, por lo que debería interactuar fácilmente con la onda plana entrante. Por el contrario, en b el campo es asimétrico, lo que no permite que se lleve a cabo esta interacción. 33
Conclusiones: Las estructuras con PBG se pueden utilizar como espejos y elementos para el control directo de emisión en láseres semiconductores La demostración de conceptos PBG en la geometría de la guía de ondas permitirá la implementación de elementos ópticos muy compactos La inclusión de desplazamientos de fase localizados (defectos) en la la rejilla permitirá producir un nuevo tipo de microcavidad y una concentración de luz tan alta que será posible utilizar efectos no lineales 34
Clasificación de métodos para la fabricación de cristales fotónicos. Los cristales fotónicos son muy raros en la naturaleza. Se distinguen por un juego de luz especial del arco iris, un fenómeno óptico que se llama irisación (traducido del griego - arco iris). Estos minerales incluyen calcita, labradorita y ópalo SiO 2 × n ∙ H 2 O con varias inclusiones. El más famoso de ellos es el ópalo, un mineral semiprecioso, que es un cristal coloidal que consta de glóbulos esféricos monodispersos de óxido de silicio. Del juego de luces en este último proviene el término opalescencia, que denota un tipo especial de dispersión de radiación característica solo para este cristal.
Los principales métodos para la fabricación de cristales fotónicos incluyen métodos que se pueden dividir en tres grupos:
1. Métodos que utilizan la formación espontánea de cristales fotónicos. Este grupo de métodos utiliza partículas coloidales como silicona monodispersa o partículas de poliestireno, así como otros materiales. Tales partículas, que se encuentran en vapores líquidos durante la evaporación, se depositan en un cierto volumen. A medida que las partículas se depositan una encima de la otra, forman un cristal fotónico tridimensional y se ordenan predominantemente en una red cristalina hexagonal o centrada en las caras. También es posible un método de panal, que se basa en filtrar el líquido que contiene las partículas a través de pequeñas esporas. Aunque el método de panal permite la formación de un cristal a una velocidad relativamente alta determinada por la velocidad de flujo de líquido a través de los poros, sin embargo, se forman defectos en tales cristales al secarse. Hay otros métodos que utilizan la formación espontánea de cristales fotónicos, pero cada método tiene ventajas y desventajas. Muy a menudo, estos métodos se utilizan para depositar partículas esféricas de silicona coloidal, sin embargo, el contraste del índice de refracción resultante es relativamente pequeño.
2. Métodos que utilizan el grabado de objetos. Este grupo de métodos utiliza una máscara fotorresistente formada en la superficie del semiconductor, que define la geometría de la región de grabado. Con la ayuda de una máscara de este tipo, el cristal fotónico más simple se forma grabando la superficie del semiconductor sin recubrir con un fotorresistente. La desventaja de este método es la necesidad de fotolitografía de alta resolución al nivel de decenas y cientos de nanómetros. Los haces de iones enfocados, como Ga, también se utilizan para la fabricación de cristales fotónicos mediante grabado. Dichos haces de iones permiten eliminar parte del material sin utilizar fotolitografía ni grabado adicional. Para aumentar la tasa de grabado y mejorar su calidad, así como para depositar materiales dentro de las áreas grabadas, se utiliza un procesamiento adicional con los gases necesarios.
3. Métodos holográficos. Estos métodos se basan en la aplicación de los principios de la holografía. Con la ayuda de la holografía, se forman cambios periódicos en el índice de refracción en direcciones espaciales. Para ello, se utiliza la interferencia de dos o más ondas coherentes, lo que crea una distribución periódica de la intensidad de la radiación electromagnética. Los cristales fotónicos unidimensionales se crean por la interferencia de dos ondas. Los cristales fotónicos bidimensionales y tridimensionales se crean mediante la interferencia de tres o más ondas.
La elección de un método específico para la fabricación de cristales fotónicos está determinada en gran medida por la circunstancia de qué dimensión debe hacerse la estructura: unidimensional, bidimensional o tridimensional.
Estructuras periódicas unidimensionales. La forma más simple y común de obtener estructuras periódicas unidimensionales es la deposición al vacío capa por capa de películas policristalinas de materiales dieléctricos o semiconductores. Este método se ha generalizado en relación con el uso de estructuras periódicas en la producción de espejos láser y filtros de interferencia. En tales estructuras, cuando se utilizan materiales con índices de refracción que difieren aproximadamente 2 veces (por ejemplo, ZnSe y Na 3 AlF 6), es posible crear bandas de reflexión espectral (espacios de banda fotónica) de hasta 300 nm de ancho, cubriendo casi el toda la región visible del espectro.
Los avances en la síntesis de heteroestructuras de semiconductores en las últimas décadas han hecho posible crear estructuras completamente monocristalinas con cambios periódicos en el índice de refracción a lo largo de la dirección de crecimiento utilizando epitaxia de haz molecular o deposición de vapor utilizando compuestos organometálicos. Actualmente, estas estructuras forman parte de láseres semiconductores con resonadores verticales. La relación máxima actualmente alcanzable de índices de refracción de materiales, aparentemente, corresponde al par GaAs / Al2O3 y es aproximadamente 2. Cabe señalar la alta perfección de la estructura cristalina de tales espejos y la precisión de la formación del espesor de capa en el nivel de un período de celosía (aproximadamente 0,5 nm).
Recientemente, se ha demostrado la posibilidad de crear estructuras semiconductoras unidimensionales periódicas utilizando una máscara fotolitográfica y grabado selectivo. Cuando se graba silicio, es posible crear estructuras con un período del orden de 1 μm o más, mientras que la relación de los índices de refracción del silicio y el aire en la región del infrarrojo cercano es 3,4, un valor sin precedentes inalcanzable por otros métodos de síntesis. . Un ejemplo de estructura similar obtenido en el Instituto Físico-Técnico. AF Ioffe RAS (San Petersburgo), que se muestra en la Fig. 3,96.
Arroz. 3,96. Silicio periódico - estructura de aire obtenida por grabado anisotrópico utilizando una máscara fotolitográfica (período de estructura 8 μm)
Estructuras periódicas bidimensionales. Se pueden fabricar estructuras periódicas bidimensionales utilizando grabado selectivo de semiconductores, metales y dieléctricos. La tecnología de grabado selectivo se ha desarrollado para silicio y aluminio debido al uso generalizado de estos materiales en microelectrónica. El silicio poroso, por ejemplo, se considera un material óptico prometedor que permitirá crear sistemas optoelectrónicos integrados con un alto grado de integración. La combinación de tecnologías avanzadas de silicio con efectos de tamaño cuántico y los principios de la formación de bandgaps fotónicos ha llevado al desarrollo de una nueva dirección: la fotónica de silicio.
El uso de litografía submicrométrica para la formación de máscaras permite crear estructuras de silicio con un período de 300 nm o menos. Debido a la fuerte absorción de radiación en el rango visible, los cristales fotónicos de silicio solo se pueden usar en las regiones del infrarrojo cercano y medio del espectro. La combinación de grabado y oxidación, en principio, permite la transición a estructuras periódicas de óxido de silicio - aire, pero al mismo tiempo la baja relación de índices de refracción (1.45) no permite la formación de una banda prohibida completa en dos dimensiones.
Las estructuras periódicas bidimensionales de los compuestos semiconductores A 3 B 5, también obtenidas por el método de grabado selectivo utilizando máscaras o plantillas litográficas, parecen ser prometedoras. Los compuestos A 3 B 5 son los materiales básicos de la optoelectrónica moderna. Los compuestos InP y GaAs tienen un intervalo de banda mayor que el silicio y tan alto como el silicio, valores de índice de refracción iguales a 3,55 y 3,6, respectivamente.
Las estructuras periódicas basadas en óxido de aluminio parecen ser muy interesantes (Fig. 3.97a). Se obtienen por grabado electroquímico de aluminio metálico, en cuya superficie se forma una máscara mediante litografía. Usando plantillas de litografía electrónica, se obtuvieron estructuras periódicas bidimensionales perfectas que se asemejan a un panal con un diámetro de poro de menos de 100 nm. Cabe señalar que el grabado selectivo del aluminio bajo una cierta combinación de condiciones de grabado permite obtener estructuras regulares incluso sin utilizar máscaras o plantillas (Fig. 3.97b). En este caso, el diámetro de los poros puede ser de solo unos pocos nanómetros, lo que es inalcanzable para los métodos litográficos modernos. La frecuencia de los poros está asociada a la autorregulación del proceso de oxidación del aluminio durante la reacción electroquímica. El material conductor de partida (aluminio) se oxida a Al 2 O 3 durante la reacción. La película dieléctrica de óxido de aluminio reduce la corriente e inhibe la reacción. La combinación de estos procesos hace posible lograr un régimen de reacción autosostenible en el que el grabado continuo se hace posible debido al paso de la corriente a través de los poros, y el producto de reacción forma una estructura de panal regular. Alguna irregularidad de los poros (Fig. 3.97b) se debe a la estructura granular de la película de aluminio policristalino inicial.
Arroz. 3,97. Cristal fotónico bidimensional de Al 2 O 3: a) elaborado utilizando una máscara litográfica; b) hecho por autorregulación del proceso de oxidación
Un estudio de las propiedades ópticas de la alúmina nanoporosa mostró una transparencia inusualmente alta de este material a lo largo de la dirección de los poros. La ausencia de reflexión de Fresnel, que inevitablemente existe en la interfaz entre dos medios continuos, lleva a valores de transmitancia que alcanzan el 98%. En direcciones perpendiculares a los poros, se observa una alta reflectividad con una reflectividad dependiente del ángulo de incidencia.
Los valores relativamente bajos de la constante dieléctrica del óxido de aluminio, en contraste con el silicio, el arseniuro de galio y el fosfuro de indio, no permiten la formación de una banda prohibida completa en dos dimensiones. Sin embargo, a pesar de esto, las propiedades ópticas de la alúmina porosa son bastante interesantes. Por ejemplo, tiene una dispersión de luz anisotrópica pronunciada, así como birrefringencia, lo que permite utilizarlo para rotar el plano de polarización. Usando varios métodos químicos, es posible llenar los poros con varios óxidos, así como con materiales ópticamente activos, por ejemplo, medios ópticos no lineales, fósforos orgánicos e inorgánicos y compuestos electroluminiscentes.
Estructuras periódicas tridimensionales. Las estructuras periódicas tridimensionales son los objetos que presentan las mayores dificultades tecnológicas para su implementación experimental. Históricamente, el primer método para crear un cristal fotónico tridimensional se considera un método basado en la perforación mecánica de agujeros cilíndricos en el volumen de un material, propuesto por E. Yablonovich. La fabricación de una estructura periódica tridimensional de este tipo es una tarea bastante laboriosa, por lo que muchos investigadores han intentado crear un cristal fotónico por otros métodos. Así, en el método Lean-Fleming, se deposita una capa de dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio, en el que luego se forman franjas paralelas, rellenas de silicio policristalino. Además, se repite el proceso de aplicación de dióxido de silicio, pero las rayas se forman en la dirección perpendicular. Después de crear el número requerido de capas, el óxido de silicio se elimina mediante grabado. Como resultado, se forma una "pila de leña" a partir de varillas de polisilicio (fig. 3.98). Cabe señalar que el uso de métodos modernos de litografía electrónica submicrónica y grabado con iones anisotrópicos permite obtener cristales fotónicos con un espesor de menos de 10 celdas estructurales.
Arroz. 3,98. Estructura fotónica tridimensional de varillas de polisilicio.
Los métodos para crear cristales fotónicos para el rango visible, basados en el uso de estructuras autoorganizadas, se han generalizado. La idea misma de "ensamblar" cristales fotónicos a partir de glóbulos (bolas) se toma prestada de la naturaleza. Se sabe, por ejemplo, que los ópalos naturales tienen las propiedades de los cristales fotónicos. La composición química del ópalo mineral natural es un hidrogel de dióxido de silicio SiO 2 × H 2 O con un contenido de agua variable: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H2O: 4,5-20%; Al 2 O 3 - hasta un 9%; Fe 2 O 3 - hasta 3%; TiO 2 - hasta 5%. Por medio de microscopía electrónica, se encontró que los ópalos naturales están formados por partículas esféricas compactas y de tamaño uniforme de α-SiO 2 con un diámetro de 150 - 450 nm. Cada partícula consta de formaciones globulares más pequeñas con un diámetro de 5 a 50 nm. Los huecos de relleno de glóbulos se llenan con óxido de silicio amorfo. La intensidad de la luz difractada está influenciada por dos factores: el primero es la "idealidad" del empaquetamiento más cercano de glóbulos, el segundo es la diferencia en los índices de refracción del óxido de SiO 2 amorfo y cristalino. El mejor juego de luz lo poseen los ópalos negros nobles (para ellos, la diferencia en los índices de refracción es ~ 0.02).
Es posible crear cristales fotónicos globulares a partir de partículas coloidales de varias formas: sedimentación natural (precipitación de una fase dispersa en un líquido o gas bajo la acción de un campo gravitacional o fuerzas centrífugas), centrifugación, filtración mediante membranas, electroforesis, etc. Las partículas esféricas actúan como partículas coloidales de poliestireno, polimetacrilato de metilo, partículas de dióxido de silicio α-SiO 2.
El método de deposición natural es un proceso muy lento, que requiere varias semanas o incluso meses. La centrifugación acelera mucho la formación de cristales coloidales, pero los materiales así obtenidos están menos ordenados, ya que a una alta velocidad de deposición, la separación de partículas por tamaño no tiene tiempo de ocurrir. Para acelerar el proceso de sedimentación se utiliza la electroforesis: se crea un campo eléctrico vertical, que "cambia" la gravedad de las partículas en función de su tamaño. También se utilizan métodos basados en el uso de fuerzas capilares. La idea principal es que, bajo la acción de las fuerzas capilares, se produce la cristalización en el límite del menisco entre el sustrato vertical y la suspensión y, a medida que el disolvente se evapora, se forma una estructura fina y ordenada. Además, se utiliza un gradiente de temperatura vertical, que permite optimizar mejor la velocidad del proceso y la calidad del cristal que se crea debido a los flujos de convección. En general, la elección de la técnica viene determinada por los requisitos de calidad de los cristales obtenidos y el tiempo dedicado a su fabricación.
El proceso tecnológico de cultivo de ópalos sintéticos por sedimentación natural se puede dividir en varias etapas. Inicialmente, se produce una suspensión monodispersa (~ 5% de desviación del diámetro) de glóbulos de sílice esféricos. El diámetro medio de partícula puede variar en un amplio intervalo: de 200 a 1000 nm. El método más famoso para la obtención de micropartículas coloidales monodispersas de dióxido de silicio se basa en la hidrólisis de tetraetoxisilano Si (C 2 H 4 OH) 4 en un medio agua-alcohol en presencia de hidróxido de amonio como catalizador. Este método se puede utilizar para obtener partículas con una superficie lisa de forma esférica casi ideal con un alto grado de monodispersidad (menos del 3% de desviación en el diámetro), así como para crear partículas con tamaños inferiores a 200 nm con una distribución de tamaño estrecha. . La estructura interna de tales partículas es fractal: las partículas consisten en esferas más pequeñas compactas (unas pocas decenas de nanómetros de diámetro), y cada una de esas esferas está formada por complejos de polihidroxo de silicio, que constan de 10 a 100 átomos.
La siguiente etapa es la sedimentación de partículas (Fig. 3.99). Puede durar varios meses. Una vez completada la etapa de deposición, se forma una estructura periódica compacta. Luego, el precipitado se seca y se templa a una temperatura de aproximadamente 600 ºС. En el proceso de recocido, se produce el ablandamiento y la deformación de las esferas en los puntos de contacto. Como resultado, la porosidad de los ópalos sintéticos es menor que la de un sello de bola ideal. Los glóbulos forman capas compactas hexagonales altamente ordenadas perpendiculares a la dirección del eje de crecimiento del cristal fotónico.
Arroz. 3,99. Etapas del crecimiento de ópalos sintéticos: a) deposición de partículas;
b) secar el sedimento; c) recocido de la muestra
En la Fig. 3.100a muestra una micrografía de ópalo sintético obtenida por microscopía electrónica de barrido. Las esferas tienen un tamaño de 855 nm. La presencia de porosidad abierta en los ópalos sintéticos permite rellenar huecos con diversos materiales. Las matrices de ópalo son subredes tridimensionales de poros a nanoescala interconectados. Los tamaños de los poros son del orden de cientos de nanómetros, los tamaños de los canales que conectan los poros alcanzan decenas de nanómetros. De esta forma se obtienen nanocompuestos basados en cristales fotónicos. El principal requisito que se plantea al crear nanocomposites de alta calidad es la integridad del llenado del espacio nanoporoso. El llenado se lleva a cabo mediante varios métodos: mediante la introducción de una solución en una masa fundida; impregnación con soluciones concentradas, seguida de evaporación del disolvente; métodos electroquímicos, deposición química de vapor, etc.
Arroz. 3.100. Micrografías de cristales fotónicos: a) de ópalo sintético;
b) de microesferas de poliestireno
El grabado selectivo de óxido de silicio a partir de tales compuestos forma nanoestructuras ordenadas espacialmente con alta porosidad (más del 74% del volumen), llamadas ópalos invertidos o invertidos. Este método de obtención de cristales fotónicos se denomina método de plantilla. Como partículas coloidales monodispersas ordenadas que forman un cristal fotónico, no solo pueden actuar las partículas de óxido de silicio, sino también, por ejemplo, las poliméricas. Un ejemplo de un cristal fotónico basado en microesferas de poliestireno se muestra en la Fig. 3.100b
abstracto
Fabricación de cristales fotónicos
Durante los últimos diez años, la creación de un cristal fotónico tridimensional en el rango de longitud de onda visible ha seguido siendo uno de los principales problemas de la ciencia de los materiales, para cuya solución la mayoría de los investigadores se han centrado en dos enfoques fundamentalmente diferentes: el uso de plantillas. métodos que crean condiciones previas para la autoorganización de nanosistemas sintetizados y nanolitografía.
Entre el primer grupo de métodos, los más extendidos son los que utilizan esferas coloidales monodispersas como plantillas para crear sólidos con un sistema periódico de poros. Estos métodos permiten obtener cristales fotónicos a base de metales, no metales, óxidos, semiconductores, polímeros, etc. Todos estos métodos incluyen varios pasos generales (Fig. 22).
Arroz. 22. Esquema de síntesis de plantillas de cristales fotónicos.
En la primera etapa, las esferas coloidales de tamaño similar se “empaquetan” uniformemente en forma de estructuras tridimensionales (a veces bidimensionales), que luego actúan como plantillas (Fig. 22a). Para ordenar las esferas, además de la precipitación natural (espontánea), se utilizan centrifugación, filtración mediante membranas y electroforesis. Además, en el caso de utilizar esferas de cuarzo, el material resultante es un análogo sintético del ópalo natural.
En la segunda etapa, los huecos en la estructura de la plantilla se impregnan con un líquido, que posteriormente, bajo diversas influencias físicas y químicas, se convierte en una estructura sólida. Otros métodos para llenar los huecos de la plantilla con una sustancia son los métodos electroquímicos o las ECV (figura 22b).
En la última etapa, la plantilla (esferas coloidales) se elimina utilizando, según su naturaleza, los procesos de disolución o descomposición térmica (figura 22c). Las estructuras resultantes a menudo se denominan réplicas de los cristales coloidales originales u "ópalos inversos".
Es obvio que las esferas utilizadas como plantillas para la formación de sólidos porosos deben humedecerse con los precursores aplicados y también deben eliminarse fácilmente en condiciones en las que la estructura de armazón creada no se destruya. Además, para que el material poroso final tenga propiedades fotónicas, las esferas deben tener una distribución de tamaño estrecha: sus diámetros no deben diferir del tamaño promedio en más de un 5-8%.
Un marco de plantilla que consta de partículas coloidales monodispersas ordenadas se denomina comúnmente en la bibliografía como un "cristal coloidal" (ver Fig. 22a). Por regla general, para su formación se utilizan esferas de látex de cuarzo o polímero, aunque la literatura describe los casos de uso de gotas de emulsión, oro y nanocristales semiconductores monodispersos.
Para un uso práctico, las regiones libres de defectos en un cristal fotónico no deben exceder los 1000 μm 2. Por tanto, el problema de ordenar partículas esféricas de cuarzo y polímero es uno de los más importantes en la creación de cristales fotónicos.
La deposición de partículas coloidales solo bajo la acción de fuerzas gravitacionales simula el mecanismo natural de formación del ópalo natural. Por lo tanto, este método se ha estudiado en detalle durante mucho tiempo. Durante la sedimentación a largo plazo, se produce la separación del tamaño de partícula, lo que permite obtener muestras bien ordenadas de ópalos sintéticos, incluso si las esferas de cuarzo utilizadas tienen una variación significativa de tamaño.
Sin embargo, la deposición natural es un proceso muy lento, que suele requerir varias semanas o incluso meses, especialmente cuando el diámetro de las esferas no supera los 300 nm. La centrifugación puede acelerar significativamente la formación de cristales coloidales. Sin embargo, los materiales obtenidos en tales condiciones están menos ordenados, ya que a una alta tasa de deposición, la separación de partículas por tamaño no tiene tiempo de ocurrir. Además, como se demostró en el trabajo, la calidad del ópalo resultante está fuertemente influenciada por la velocidad de centrifugación.
Así, durante la deposición de partículas esféricas de cuarzo con un diámetro de 375-480 nm, los cristales coloidales mejor ordenados se obtuvieron por centrifugación a una velocidad de 4000 rpm; a velocidades de 3000 y 5000 rpm, las muestras se ordenaron mucho peor. .
Arroz. 23. El efecto de la electroforesis sobre la deposición de grandes partículas esféricas de cuarzo con un diámetro de 870 nm: a) - no se usa electroforesis; b) - se aplica electroforesis.
El método de deposición natural presenta una serie de desafíos. Si las dimensiones de las esferas de cuarzo son lo suficientemente pequeñas (< 300 нм), они могут не образовать осадка, поскольку энергия теплового движения становится сопоставимой с энергией гравитационного поля. С другой стороны, при осаждении крупных сфер (диаметром >550 nm), la velocidad de su deposición es tan alta que se hace difícil obtener matrices ordenadas, y con un aumento posterior del tamaño de las esferas, es prácticamente imposible.
En este sentido, la electroforesis se utilizó para aumentar la velocidad de sedimentación de esferas pequeñas y disminuir las grandes. En estos experimentos, el campo eléctrico vertical (dependiendo de su dirección) en algunos casos "aumentó" y en otros, "disminuyó" la fuerza de gravedad que actúa sobre las partículas. Como era de esperar, cuanto más lento se llevó a cabo el proceso de deposición, más ordenadas estaban las muestras. Por ejemplo, se demostró en el trabajo que durante la deposición natural de partículas de cuarzo con un diámetro de 870 nm, se forma un cristal coloidal con una estructura completamente desordenada (Figura 23a). El uso de electroforesis permite obtener un material bastante bien ordenado (Fig. 23b). Durante la deposición de partículas de sílice con un diámetro de 205 nm, el uso de electroforesis aumentó significativamente la velocidad de sedimentación (de 0,09 en el caso de la deposición natural a 0,35 mm / h). Como resultado, el cristal coloidal no se formó en 2 meses, sino en menos de dos semanas, y no hubo deterioro en las propiedades ópticas.
Otra forma de organizar las esferas coloidales es mediante la deposición de membranas. Entonces, en las obras, se obtuvieron cristales coloidales poliméricos filtrando una suspensión que contenía principalmente esferas de látex con un diámetro de 300-1000 nm a través de una membrana plana de policarbonato con poros de ~ 100 nm de tamaño, que retenían grandes, dejando entrar el solvente y más pequeños. esferas.
Recientemente, se ha generalizado el método de ordenar esferas coloidales, asociado con el uso de fuerzas capilares. Se muestra que la cristalización de partículas submicrónicas en el límite del menisco entre un sustrato vertical y una suspensión coloidal cuando esta última se evapora conduce a la formación de una estructura delgada, plana y bien ordenada. Al mismo tiempo, se creía que el uso de este método para la obtención de cristales coloidales basados en partículas con un diámetro> 400 nm es imposible, ya que la deposición de partículas grandes bajo la acción de la gravedad, por regla general, ocurre más rápido que el movimiento del menisco a lo largo del sustrato debido a la evaporación del solvente. Esto crea ciertos problemas para las aplicaciones comerciales del método: los cristales fotónicos en el rango de longitud de onda de 1.3-1.5 μm, que es el más importante para las comunicaciones modernas, se forman sobre la base de esferas con diámetros en el rango de 700-900 nm.
Este problema se resolvió aplicando un gradiente de temperatura que inicia la convección: las corrientes de convección ralentizan la sedimentación, aceleran la evaporación y conducen a un flujo continuo de partículas esféricas hacia el menisco (Fig. 24). Por lo tanto, utilizando este método, fue posible lograr el ordenamiento de esferas de cuarzo con un diámetro de 0,86 μm sobre un sustrato de silicona. Debe enfatizarse que el material de la estructura resultante se caracterizó por una concentración significativamente menor de defectos puntuales, y los cristales coloidales de cuarzo en sí mismos eran mucho más grandes que los obtenidos previamente.
Un método simple para obtener cristales coloidales que no requiere condiciones extremas para el experimento: el ordenamiento de las partículas esféricas de poliestireno ocurre en la superficie del agua solo elevando la temperatura de la suspensión a 90 ° C. Durante el experimento, las esferas de látex con un diámetro de 240 nm permanecieron suspendidas en solución a temperatura constante durante más de 2 meses. Debido a la evaporación continua de la solución, la concentración de partículas coloidales en su superficie, aparentemente, aumenta significativamente, lo que conduce a su autoorganización (bajo la acción de fuerzas capilares) en regiones ordenadas.
Arroz. 24 ... Un método para ordenar grandes esferas de cuarzo en la superficie de un sustrato vertical usando la acción de fuerzas capilares y un gradiente de temperatura.
Los cálculos han demostrado que la densidad de las esferas "organizadas" se vuelve menor que la densidad del agua, por lo que no se hunden. En el proceso de evaporación adicional del agua, la siguiente capa ordenada se une al grupo primario, etc. Es la pequeña diferencia entre la densidad del agua (1 g / cm 3) y el poliestireno (1,04 g / cm 3) lo que permite obtener cristales coloidales en la superficie de la solución. De hecho, cuando se experimenta con metanol (que tiene una densidad mucho menor ρ = 0,79 g / cm 3), no se produce la formación de estructuras ordenadas.
Métodos que utilizan la formación espontánea de cristales fotónicos.
En la formación espontánea de cristales fotónicos, se utilizan partículas coloidales (la mayoría de las veces se utilizan partículas monodispersas de silicona o poliestireno, pero poco a poco se van haciendo disponibles otros materiales para su uso a medida que se desarrollan métodos tecnológicos para su producción), que se encuentran en el líquido y precipitan en un cierto volumen a medida que el líquido se evapora. A medida que se depositan unos sobre otros, forman un cristal fotónico tridimensional y se ordenan predominantemente en una red cristalina hexagonal o centrada en las caras. Este método es bastante lento y la formación de un cristal fotónico puede llevar semanas.
