Në dekadën e fundit, zhvillimi i mikroelektronikës është ngadalësuar, pasi kufijtë e shpejtësisë së pajisjeve gjysmëpërçuese standarde tashmë janë arritur praktikisht. Një numër në rritje studimesh i kushtohen zhvillimit të zonave alternative ndaj elektronikës gjysmëpërçuese - këto janë spintronika, mikroelektronika me elementë superpërçues, fotonika dhe disa të tjera.
Parimi i ri i transmetimit dhe përpunimit të informacionit duke përdorur një sinjal drite, në vend të një sinjali elektrik, mund të përshpejtojë fillimin e një faze të re në epokën e informacionit.
Nga kristalet e thjeshta në fotonik
Baza e pajisjeve elektronike të së ardhmes mund të jenë kristalet fotonike - këto janë materiale të renditura sintetike në të cilat konstanta dielektrike ndryshon periodikisht brenda strukturës. Në rrjetën kristalore të një gjysmëpërçuesi tradicional, rregullsia, periodiciteti i rregullimit të atomeve çon në formimin e të ashtuquajturës strukturë energjetike të brezit - me zona të lejuara dhe të ndaluara. Një elektron, energjia e të cilit bie në brezin e lejuar mund të lëvizë nëpër kristal, ndërsa një elektron me energji në hendekun e brezit është "i kyçur".
Për analogji me një kristal të zakonshëm, lindi ideja e një kristali fotonik. Në të, periodiciteti i lejueshmërisë shkakton shfaqjen e zonave fotonike, në veçanti, zonës së ndaluar, brenda së cilës shtypet përhapja e dritës me një gjatësi vale të caktuar. Kjo do të thotë, duke qenë transparente ndaj një spektri të gjerë rrezatimi elektromagnetik, kristalet fotonike nuk transmetojnë dritë me një gjatësi vale të zgjedhur (e barabartë me dyfishin e periudhës së strukturës përgjatë gjatësisë së shtegut optik).
Kristalet fotonike mund të kenë dimensione të ndryshme. Kristalet njëdimensionale (1D) janë një strukturë shumështresore e shtresave të alternuara me indekse të ndryshme refraktive. Kristalet fotonike dydimensionale (2D) mund të përfaqësohen si një strukturë periodike e shufrave me permitivitete të ndryshme. Prototipet e para sintetike të kristaleve fotonike ishin tre-dimensionale dhe u krijuan në fillim të viteve 1990 nga stafi i qendrës kërkimore. Bell Labs(SHBA). Për të marrë një grilë periodike në një material dielektrik, shkencëtarët amerikanë shpuan vrima cilindrike në atë mënyrë që të përftonin një rrjet tredimensional zbrazëtish. Në mënyrë që materiali të shndërrohej në një kristal fotonik, lejueshmëria e tij u modulua me një periudhë prej 1 centimetër në të tre dimensionet.
Analogët natyrorë të kristaleve fotonike janë veshjet e perlave të predhave (1D), antenat e një miu deti, krimbi polikaet (2D), krahët e një fluture varke me vela afrikane dhe gurë gjysmë të çmuar, si opali (3D).
Por edhe sot, edhe me ndihmën e metodave më moderne dhe më të shtrenjta të litografisë elektronike dhe gravurës së joneve anizotropike, është e vështirë të prodhohen kristale fotonike tredimensionale pa defekte me një trashësi prej më shumë se 10 qelizave strukturore.
Kristalet fotonike duhet të gjejnë aplikim të gjerë në teknologjitë e integruara fotonike, të cilat në të ardhmen do të zëvendësojnë qarqet e integruara elektrike në kompjuterë. Kur informacioni transmetohet duke përdorur fotone në vend të elektroneve, konsumi i energjisë do të reduktohet ndjeshëm, frekuencat e orës dhe shpejtësia e transferimit të informacionit do të rriten.
Kristal fotonik i oksidit të titanit
Oksidi i titanit TiO 2 ka një sërë karakteristikash unike si indeksi i lartë i thyerjes, qëndrueshmëria kimike dhe toksiciteti i ulët, gjë që e bën atë materialin më premtues për krijimin e kristaleve fotonike njëdimensionale. Nëse marrim parasysh kristalet fotonike për qelizat diellore, atëherë oksidi i titanit fiton këtu për shkak të vetive të tij gjysmëpërçuese. Një rritje në efikasitetin e qelizave diellore duke përdorur një shtresë gjysmëpërçuese me një strukturë kristalore fotonike periodike, duke përfshirë kristalet fotonike të oksidit të titanit, është demonstruar më parë.
Por deri më tani, përdorimi i kristaleve fotonike të bazuar në dioksid titani është i kufizuar nga mungesa e një teknologjie të riprodhueshme dhe të lira për krijimin e tyre.
Nina Sapoletova, Sergei Kushnir dhe Kirill Napolsky, anëtarë të Fakultetit të Kimisë dhe Fakultetit të Shkencave të Materialeve të Universitetit Shtetëror të Moskës, kanë përmirësuar sintezën e kristaleve fotonike njëdimensionale të bazuara në filmat poroz të oksidit të titanit.
"Anodikimi (oksidimi elektrokimik) i metaleve të valvulave, duke përfshirë aluminin dhe titanin, është një metodë efektive për marrjen e filmave oksid poroz me kanale të përmasave nanometër," shpjegoi Kirill Napolsky, kreu i grupit të nanostrukturimit elektrokimik, Kandidat i Shkencave Kimike.
Anodizimi zakonisht kryhet në një qelizë elektrokimike me dy elektroda. Dy pllaka metalike, një katodë dhe një anodë, ulen në tretësirën e elektrolitit dhe aplikohet një tension elektrik. Hidrogjeni lirohet në katodë, dhe oksidimi elektrokimik i metalit ndodh në anodë. Nëse voltazhi i aplikuar në qelizë ndryshon periodikisht, atëherë në anodë formohet një film poroz me një porozitet të specifikuar në trashësi.
Indeksi efektiv i thyerjes do të modulohet nëse diametri i poreve ndryshon periodikisht brenda strukturës. Teknikat e anodizimit të titanit të zhvilluara më parë nuk lejuan marrjen e materialeve me një shkallë të lartë të periodicitetit të strukturës. Kimistët nga Universiteti Shtetëror i Moskës kanë zhvilluar një metodë të re të anodizimit të metaleve me modulim të tensionit në varësi të ngarkesës anodizuese, e cila lejon krijimin e oksideve poroze të metaleve anodike me saktësi të lartë. Mundësitë e teknikës së re u demonstruan nga kimistët duke përdorur si shembull kristalet fotonike njëdimensionale nga oksidi anodik i titanit.
Si rezultat i ndryshimit të tensionit anodizues sipas një ligji sinusoidal në intervalin 40-60 volt, shkencëtarët morën nanotuba të oksidit anodik të titanit me një diametër të jashtëm konstant dhe një diametër të brendshëm që ndryshon periodikisht (shih figurën).
“Metodat e anodizimit të përdorura më parë nuk lejonin marrjen e materialeve me një shkallë të lartë periodiciteti të strukturës. Ne kemi zhvilluar një metodologji të re, komponenti kryesor i së cilës është në vend(menjëherë gjatë sintezës) matja e ngarkesës anodizuese, e cila bën të mundur kontrollin me saktësi të lartë të trashësisë së shtresave me porozitet të ndryshëm në filmin e oksidit të formuar, "shpjegoi një nga autorët e veprës, kandidati i shkencave kimike Sergey Kushnir.
Teknika e zhvilluar do të thjeshtojë krijimin e materialeve të reja me një strukturë të moduluar të bazuar në oksidet e metaleve anodike. “Nëse e konsiderojmë përdorimin e kristaleve fotonike nga oksidi anodik i titanit në qelizat diellore si një aplikim praktik të teknikës, atëherë një studim sistematik i ndikimit të parametrave strukturorë të kristaleve të tilla fotonike në efikasitetin e shndërrimit të dritës në qelizat diellore ka ende për t'u kryer, "përcaktoi Sergey Kushnir.
) — një material, struktura e të cilit karakterizohet nga një ndryshim periodik në indeksin e thyerjes në 1, 2 ose 3 drejtime hapësinore.
Përshkrim
Një tipar dallues i kristaleve fotonike (PC) është prania e një ndryshimi periodik hapësinor në indeksin e thyerjes. Në varësi të numrit të drejtimeve hapësinore përgjatë të cilave ndryshon periodikisht indeksi i thyerjes, kristalet fotonike quhen njëdimensionale, dy-dimensionale dhe tre-dimensionale, ose shkurtohen si PC 1D, 2D PC dhe 3D PC (D - nga dimensioni anglez) , respektivisht. Në mënyrë konvencionale, struktura e PC 2D dhe PC 3D është paraqitur në fig.
Karakteristika më e habitshme e kristaleve fotonike është ekzistenca në një PC 3D me një kontrast mjaft të madh në indekset refraktive të përbërësve të zonave të caktuara spektrale, të quajtura boshllëqe totale të brezit fotonik (PBG): ekzistenca e rrezatimit me energji fotonike që i përket PBG në kristale të tilla është e pamundur. Në veçanti, rrezatimi, spektri i të cilit i përket PBG nuk depërton në PC nga jashtë, nuk mund të ekzistojë në të dhe reflektohet plotësisht nga kufiri. Ndalimi shkelet vetëm nëse ka defekte strukturore ose nëse madhësia e PC-së është e kufizuar. Në këtë rast, defektet lineare të krijuara qëllimisht janë me humbje të vogla në përkulje (deri në rrezet mikron të lakimit), defektet e pikës janë rezonatorë në miniaturë. Zbatimi praktik i mundësive të mundshme të PC 3D bazuar në mundësitë e gjera të kontrollit të karakteristikave të rrezeve të dritës (fotonit) sapo ka filluar. Ai pengohet nga mungesa e metodave efektive për krijimin e kompjuterëve 3D me cilësi të lartë, metodave për formimin e synuar të inhomogjeniteteve lokale, defekteve lineare dhe pikave në to, si dhe metodave për ndërlidhjen me pajisje të tjera fotonike dhe elektronike.
Është bërë përparim dukshëm më i madh drejt aplikimit praktik të PC-ve 2D, të cilët përdoren, si rregull, në formën e kristaleve fotonike planare (filma) ose në formën e (PCF) (shih detajet në artikujt përkatës).
PCF-të janë një strukturë dydimensionale me një defekt në pjesën qendrore, të zgjatur në drejtim pingul. Duke qenë një lloj thelbësisht i ri i fibrave optike, PCF-të ofrojnë mundësi për transportimin e valëve të dritës dhe kontrollin e sinjaleve të dritës që janë të paarritshme për llojet e tjera.
PC-të njëdimensionale (PC 1D) janë një strukturë shumështresore e shtresave të alternuara me indekse të ndryshme refraktive. Në optikën klasike, shumë kohë përpara shfaqjes së termit "kristal fotonik", dihej mirë se në struktura të tilla periodike natyra e përhapjes së valëve të dritës ndryshon ndjeshëm për shkak të fenomeneve të ndërhyrjes dhe difraksionit. Për shembull, veshjet reflektuese me shumë shtresa janë përdorur prej kohësh gjerësisht për prodhimin e pasqyrave dhe filtrave të ndërhyrjes së filmit, dhe grilat volumetrike Bragg si përzgjedhës dhe filtra spektralë. Pasi termi PC u përdor gjerësisht, media të tilla me shtresa, në të cilat indeksi i thyerjes ndryshon periodikisht përgjatë një drejtimi, filluan t'i atribuohen klasës së kristaleve fotonike njëdimensionale. Me incidencë pingule të dritës, varësia spektrale e koeficientit të reflektimit nga veshjet me shumë shtresa është e ashtuquajtura "Tabela Bragg" - në gjatësi vale të caktuara, koeficienti i reflektimit i afrohet me shpejtësi unitetit me një rritje të numrit të shtresave. Valët e dritës që bien në diapazonin spektral të treguar në fig. shigjeta b, janë pasqyruar pothuajse plotësisht nga struktura periodike. Sipas terminologjisë së FK, ky varg i gjatësive valore dhe diapazoni përkatës i energjive të fotonit (ose brezi i energjisë) janë të ndaluara për valët e dritës që përhapen pingul me shtresat.
Potenciali për aplikime praktike të PC-ve është i madh për shkak të mundësive unike të kontrollit të fotoneve dhe ende nuk është eksploruar plotësisht. Nuk ka dyshim se në vitet e ardhshme do të propozohen pajisje dhe elemente strukturore të reja, ndoshta thelbësisht të ndryshme nga ato që përdoren ose zhvillohen sot.
Perspektivat e mëdha për përdorimin e PC-ve në fotonikë u realizuan pas botimit të një artikulli nga E. Yablonovich, në të cilin propozohej të përdornin PC me PBG të plota për të kontrolluar spektrin e emetimeve spontane.
Ndër pajisjet fotonike që mund të priten në të ardhmen e afërt janë këto:
- lazer ultra të vegjël FK me prag të ulët;
- PC super të shndritshëm me një spektër të kontrolluar emetimi;
- përcjellës valësh nënminiaturë FK me rreze lakimi mikron;
- qarqe të integruara fotonike me shkallë të lartë integrimi bazuar në PC planare;
- filtra spektralë miniaturë FK, duke përfshirë ato të sintonizueshme;
- Pajisjet FK me memorie optike me akses të rastësishëm;
- Pajisjet e përpunimit të sinjalit optik FK;
- mjete për dhënien e rrezatimit lazer me fuqi të lartë bazuar në PCF me një bërthamë të zbrazët.
Aplikimi më joshëse, por edhe më i vështirë për t'u zbatuar i PC-ve tredimensionale është krijimi i komplekseve vëllimore super të integruara të pajisjeve fotonike dhe elektronike për përpunimin e informacionit.
Përdorime të tjera të mundshme për kristalet fotonike 3D përfshijnë prodhimin e bizhuterive artificiale me bazë opal.
Kristalet fotonike gjenden gjithashtu në natyrë, duke i dhënë hije të tjera ngjyrash botës përreth nesh. Kështu, veshja e nënës së perlës së guaskave të molusqeve, të tilla si haliotis, ka një strukturë FC 1D, antenat e një miu deti dhe shpimet e një krimbi polikaet janë 2D FC, dhe opalet gjysëm të çmuar natyralë dhe krahët e bishtit afrikan. fluturat (Papilio ulysses) janë kristale fotonike tredimensionale natyrore.
Ilustrime
|
a– struktura e PC dydimensionale (lart) dhe tredimensionale (poshtë); bështë hendeku i brezit të një PC njëdimensionale të formuar nga shtresat GaAs/AlxOy me gjatësi vale çerek (hendeku i brezit tregohet me një shigjetë); nëështë FC nikel i përmbysur, i marrë nga stafi i Universitetit Shtetëror të Moskës FNM. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky dhe A.A. Eliseev |
2
Hyrje Që nga kohërat e lashta, një person që ka gjetur një kristal fotonik është magjepsur nga një lojë e veçantë e ylbertë e dritës në të. U zbulua se vërshimet e ylberta të luspave dhe puplave të kafshëve dhe insekteve të ndryshme janë për shkak të ekzistencës së superstrukturave mbi to, të cilat morën emrin kristalet fotonike për vetitë e tyre reflektuese. Kristalet fotonike gjenden në natyrë në/në: minerale (kalcit, labradorit, opal); në krahët e fluturave; guaskat e brumbullit; sytë e disa insekteve; algat; luspa peshku; pendët e palloit. 3
Kristalet fotonike Ky është një material, struktura e të cilit karakterizohet nga një ndryshim periodik i indeksit të thyerjes në drejtimet hapësinore Kristal fotonik i bazuar në oksid alumini. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH DHE COSTAS M. SOUKOULIS “Shkrim i drejtpërdrejtë me laser i shablloneve tredimensionale fotonik-kristalore për telekomunikacionet”// Materialet e natyrës Vol. 3, P
Pak histori… 1887 Rayleigh ishte i pari që hetoi përhapjen e valëve elektromagnetike në strukturat periodike, e cila është analoge me kristalin fotonik njëdimensional të kristaleve fotonike - termi u prezantua në fund të viteve 1980. për të treguar analogun optik të gjysmëpërçuesve. Këto janë kristale artificiale të bëra nga një dielektrik i tejdukshëm në të cilin krijohen "vrima" ajri në mënyrë të rregullt. 5
Kristalet fotonike - e ardhmja e energjisë botërore Kristalet fotonike me temperaturë të lartë mund të veprojnë jo vetëm si burim energjie, por edhe si detektorë dhe sensorë jashtëzakonisht cilësorë (energji, kimike). Kristalet fotonike të krijuara nga shkencëtarët e Massachusetts bazohen në tungsten dhe tantal. Ky përbërës është i aftë të funksionojë në mënyrë të kënaqshme në temperatura shumë të larta. Deri në ˚С. Në mënyrë që kristali fotonik të fillojë të shndërrojë një lloj energjie në një tjetër, të përshtatshëm për përdorim, çdo burim (termik, emetim radio, rrezatim i fortë, rrezet e diellit, etj.) do të bëjë. 6
7
Ligji i shpërndarjes së valëve elektromagnetike në një kristal fotonik (diagrami i zonave të zgjeruara). Ana e djathtë tregon për një drejtim të caktuar në kristal marrëdhënien ndërmjet frekuencës? dhe vlerat e ReQ (lakore të ngurta) dhe ImQ (lakore e ndërprerë në zonën e ndalimit omega -
Teoria e hendekut fotonik Nuk ishte deri në vitin 1987 kur Eli Yablonovitch nga Bell Communications Research (tani profesor në UCLA) prezantoi nocionin e një hendeku të brezit elektromagnetik. Për të zgjeruar horizontet: Leksion nga Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Leksion nga John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9
Në natyrë, kristalet fotonike gjenden gjithashtu: në krahët e fluturave të bishtit të dallëndysheve afrikane, veshja e nënës së perlës së predhave të molusqeve, si galiotis, gjilpërat e miut të detit dhe qimet e krimbit polikaet. Foto e një byzylyk opal. Opali është një kristal fotonik natyral. Quhet "guri i shpresave mashtruese" 10
11
Nuk ka ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të veshjes së pigmentit" title="(!LANG: Avantazhet e filtrave me bazë FA ndaj mekanizmit të absorbimit (mekanizmit absorbues) për organizmat e gjallë: Ngjyrosja me ndërhyrje nuk kërkon thithjen dhe shpërndarjen e energjisë së dritës, => pa ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të veshjes së pigmentit" class="link_thumb"> 12 !} Avantazhet e filtrave me bazë FA ndaj mekanizmit absorbues (mekanizmi absorbues) për organizmat e gjallë: Ngjyrosja me ndërhyrje nuk kërkon thithjen dhe shpërndarjen e energjisë së dritës, => pa ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të veshjes së pigmentit. Fluturat që jetojnë në klimat e nxehta kanë një model krahësh të ylbertë dhe struktura e kristalit fotonik në sipërfaqe është zbuluar se zvogëlon thithjen e dritës dhe, rrjedhimisht, ngrohjen e krahëve. Miu i detit ka përdorur për një kohë të gjatë kristalet fotonike. 12 nuk ka ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të shtresës së pigmentit "> nuk ka ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të veshjes së pigmentit. Fluturat që jetojnë në një klimë të nxehtë kanë një model krahësh të ylbertë dhe struktura e kristalit fotonik në sipërfaqe, siç doli, zvogëlohet thithjen e dritës dhe, rrjedhimisht, ngrohjen e krahëve. Miu i detit tashmë ka përdorur kristalet fotonike në praktikë për një kohë të gjatë. => nuk ka ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të pigmentit"> title="Avantazhet e filtrave me bazë FA ndaj mekanizmit thithës (mekanizmi absorbues) për organizmat e gjallë: Ngjyrosja me ndërhyrje nuk kërkon thithjen dhe shpërndarjen e energjisë së dritës, => pa ngrohje dhe shkatërrim fotokimik të veshjes së pigmentit."> !}
Flutura e ylbertë Morpho didius dhe mikrografia e krahut të saj si shembull i mikrostrukturës biologjike difraktive. Opal natyral i ylbertë (gur gjysëm i çmuar) dhe imazhi i mikrostrukturës së tij, i përbërë nga sfera të mbushura ngushtë të dioksidit të silikonit. 13
Klasifikimi i kristaleve fotonike 1. Njëdimensionale. Në të cilën indeksi i thyerjes ndryshon periodikisht në një drejtim hapësinor siç tregohet në figurë. Në këtë figurë, simboli Λ tregon periudhën e ndryshimit të indeksit të thyerjes dhe indekseve të thyerjes së dy materialeve (por në përgjithësi mund të jetë i pranishëm çdo numër materialesh). Kristale të tilla fotonike përbëhen nga shtresa të materialeve të ndryshme paralele me njëra-tjetrën me indekse të ndryshme refraktive dhe mund të shfaqin vetitë e tyre në një drejtim hapësinor pingul me shtresat. katërmbëdhjetë
2. Dydimensionale. Në të cilin indeksi i thyerjes ndryshon periodikisht në dy drejtime hapësinore siç tregohet në figurë. Në këtë figurë, një kristal fotonik krijohet nga rajone drejtkëndëshe me një indeks thyes n1, të cilat janë në një mjedis me një indeks thyes n2. Në këtë rast, rajonet me indeksin e thyerjes n1 renditen në një rrjetë kub dy-dimensionale. Kristale të tilla fotonike mund të shfaqin vetitë e tyre në dy drejtime hapësinore, dhe forma e rajoneve me një indeks thyes n1 nuk kufizohet në drejtkëndësha, si në figurë, por mund të jetë çdo (rrathë, elipsa, arbitrare, etj.). Rrjeta kristalore në të cilën janë renditur këto zona mund të jetë gjithashtu e ndryshme, dhe jo vetëm kubike, si në figurë. pesëmbëdhjetë
3. Tredimensionale. Në të cilin indeksi i thyerjes ndryshon periodikisht në tre drejtime hapësinore. Kristale të tilla fotonike mund të shfaqin vetitë e tyre në tre drejtime hapësinore, dhe ato mund të përfaqësohen si një grup rajonesh vëllimore (sfera, kube, etj.) të renditura në një rrjetë kristalore tredimensionale. 16
Aplikimet e kristaleve fotonike Aplikimi i parë është ndarja e kanaleve spektrale. Në shumë raste, jo një, por disa sinjale drite udhëtojnë përgjatë një fije optike. Ata ndonjëherë duhet të renditen - për të dërguar secilën në një rrugë të veçantë. Për shembull - një kabllo telefonike optike, përmes së cilës ka disa biseda në të njëjtën kohë në gjatësi vale të ndryshme. Një kristal fotonik është një mjet ideal për të "gdhendur" gjatësinë e valës së dëshiruar nga rryma dhe për ta drejtuar atë atje ku kërkohet. E dyta është një kryq për flukset e dritës. Një pajisje e tillë, e cila mbron kanalet e dritës nga ndikimi i ndërsjellë kur ato kalojnë fizikisht, është absolutisht e nevojshme kur krijoni një kompjuter të lehtë dhe çipa të lehta kompjuterike. 17
Kristal fotonik në telekomunikacion Nuk kanë kaluar shumë vite që nga fillimi i zhvillimeve të para, pasi investitorëve u bë e qartë se kristalet fotonike janë materiale optike të një lloji thelbësisht të ri dhe se ata kanë një të ardhme të ndritur. Prodhimi i zhvillimit të kristaleve fotonike të diapazonit optik në nivelin e aplikimit tregtar, ka shumë të ngjarë, do të ndodhë në fushën e telekomunikacionit. tetëmbëdhjetë
21
Avantazhet dhe disavantazhet e metodave litografike dhe holografike për marrjen e FC Pluses: cilësi e lartë e strukturës së formuar. Shpejtësia e shpejtë e prodhimit Lehtësia e prodhimit në masë Disavantazhet Kërkohen pajisje të shtrenjta Përkeqësim i mundshëm i mprehtësisë së skajit Vështirë për të fabrikuar konfigurimet 22
Një pamje nga afër në fund tregon vrazhdësinë e mbetur të rendit prej 10 nm. E njëjta vrazhdësi është e dukshme në shabllonet tona SU-8 të bëra nga litografia holografike. Kjo tregon qartë se kjo vrazhdësi nuk lidhet me procesin e fabrikimit, por më tepër me rezolucionin përfundimtar të fotorezistit. 24
Për të lëvizur gjatësitë e valëve themelore të PBG-ve në modalitetin e telekomunikacionit nga 1.5 µm dhe 1.3 µm, është e nevojshme të kemi një distancë të rendit 1 µm ose më pak në rrafshin e shufrave. Mostrat e fabrikuara kanë një problem: shufrat fillojnë të vijnë në kontakt me njëri-tjetrin, gjë që çon në një mbushje të madhe të padëshirueshme të fraksionit. Zgjidhja: Zvogëlimi i diametrit të shufrës, pra mbushja e fraksionit, duke gdhendur në plazmën e oksigjenit 26
Vetitë optike të një PC Për shkak të periodicitetit të mediumit, përhapja e rrezatimit brenda një kristali fotonik bëhet i ngjashëm me lëvizjen e një elektroni brenda një kristali të zakonshëm nën veprimin e një potenciali periodik. Në kushte të caktuara, formohen boshllëqe në strukturën e brezit të një PC, ngjashëm me brezat elektronikë të ndaluar në kristalet natyrore. 27
Një kristal fotonik periodik dydimensional fitohet duke formuar një strukturë periodike të shufrave dielektrike vertikale të mbjella në një mënyrë foleje katrore në një substrat të dioksidit të silikonit. Duke vendosur "defekte" në një kristal fotonik, është e mundur të krijohen valë përcjellës që, të përkulur në çdo kënd, japin transmetim 100% Struktura fotonike dydimensionale me një hapje brezi 28
Një metodë e re për marrjen e një strukture me boshllëqe të brezit fotonik të ndjeshme ndaj polarizimit Zhvillimi i një qasjeje për kombinimin e strukturës së një hendeku të brezit fotonik me pajisje të tjera optike dhe optoelektronike Vëzhgimi i kufijve të brezit të valëve të shkurtra dhe të gjata. Qëllimi i përvojës është: 29
Faktorët kryesorë që përcaktojnë vetitë e strukturës së një hendeku të brezit fotonik (PBG) janë kontrasti thyes, proporcioni i indekseve të materialit të lartë dhe të ulët në rrjetë dhe rregullimi i elementeve të rrjetës. Konfigurimi i valëve të përdorur është i krahasueshëm me atë të një lazeri gjysmëpërçues. Vargu është shumë i vogël (100 nm në diametër) vrima u gdhendën në bërthamën e valëve, duke formuar një grilë gjashtëkëndore 30
Fig.2a Skicë e rrjetës dhe zonës Brillouin që ilustron drejtimet e simetrisë në një rrjetë horizontale të mbushur ngushtë. b, c Matja e karakteristikave të transmetimit në një grilë fotonike 19-nm. 31 Zona Brillouin me drejtime simetrike
Fig.4 Fotografitë e fushës elektrike të profileve të valëve udhëtuese që korrespondojnë me brezin 1 (a) dhe brezin 2 (b), pranë pikës K për polarizimin TM. Në a, fusha ka të njëjtën simetri reflektuese në lidhje me rrafshin y-z si vala e rrafshët, kështu që duhet të ndërveprojë lehtësisht me valën e rrafshët në hyrje. Në të kundërt, në b fusha është asimetrike, gjë që nuk lejon që ky ndërveprim të ndodhë. 33
Konkluzione: Strukturat PBG mund të përdoren si pasqyra dhe elemente për kontrollin e drejtpërdrejtë të emetimit në lazerët gjysmëpërçues Demonstrimi i koncepteve PBG në gjeometrinë e valëve do të lejojë realizimin e elementeve optike shumë kompakte.që do të jetë e mundur të përdoren efekte jolineare 34
Klasifikimi i metodave për prodhimin e kristaleve fotonike. Kristalet fotonike në natyrë janë një gjë e rrallë. Ata dallohen nga një lojë e veçantë e ylbertë e dritës - një fenomen optik i quajtur irizim (përkthyer nga greqishtja - ylber). Këto minerale përfshijnë kalcitin, labradoritin dhe opalin SiO 2 ×n∙H 2 O me përfshirje të ndryshme. Më i famshmi prej tyre është opali - një mineral gjysmë i çmuar, i cili është një kristal koloidal i përbërë nga globula sferike monodisperse të oksidit të silikonit. Nga loja e dritës në këtë të fundit vjen termi opalescencë, që tregon një lloj të veçantë të shpërndarjes së rrezatimit karakteristik vetëm për këtë kristal.
Metodat kryesore për prodhimin e kristaleve fotonike përfshijnë metoda që mund të ndahen në tre grupe:
1. Metodat që përdorin formimin spontan të kristaleve fotonike. Ky grup metodash përdor grimca koloidale si grimcat monodisperse të silikonit ose polistirenit, si dhe materiale të tjera. Grimca të tilla, duke qenë në avull të lëngshëm gjatë avullimit, depozitohen në një vëllim të caktuar. Ndërsa grimcat vendosen mbi njëra-tjetrën, ato formojnë një kristal fotonik tredimensional dhe renditen kryesisht në një rrjetë kristalore të përqendruar në fytyrë ose gjashtëkëndore. Është gjithashtu e mundur një metodë me huall mjalti, e cila bazohet në filtrimin e lëngut në të cilin ndodhen grimcat përmes sporeve të vogla. Megjithëse metoda e huallit bën të mundur formimin e një kristali me një shpejtësi relativisht të lartë, të përcaktuar nga shkalla e rrjedhjes së lëngut nëpër pore, megjithatë, defekte formohen në kristale të tilla pas tharjes. Ka metoda të tjera që përdorin formimin spontan të kristaleve fotonike, por secila metodë ka avantazhet dhe disavantazhet e veta. Më shpesh, këto metoda përdoren për të depozituar grimca silikoni koloidale sferike, megjithatë, kontrasti i indeksit të thyerjes që rezulton është relativisht i vogël.
2. Metodat që përdorin gdhendjen e objekteve. Ky grup metodash përdor një maskë fotorezistente të formuar në sipërfaqen gjysmëpërçuese, e cila përcakton gjeometrinë e rajonit të gravurës. Duke përdorur një maskë të tillë, kristali më i thjeshtë fotonik formohet duke gdhendur sipërfaqen e një gjysmëpërçuesi që nuk është i mbuluar me një fotorezist. Disavantazhi i kësaj metode është nevoja për të përdorur fotolitografi me rezolucion të lartë në nivelin e dhjetëra dhe qindra nanometra. Gjithashtu, rrezet e joneve të përqendruara, të tilla si Ga, përdoren për të bërë kristale fotonike me gravurë. Rreze të tilla jonike bëjnë të mundur heqjen e një pjese të materialit pa përdorimin e fotolitografisë dhe gdhendjes shtesë. Për të rritur shkallën e gravurës dhe për të përmirësuar cilësinë e tij, si dhe për të depozituar materiale brenda zonave të gdhendura, përdoret trajtim shtesë me gazrat e nevojshëm.
3. Metodat holografike. Metoda të tilla bazohen në zbatimin e parimeve të holografisë. Me ndihmën e holografisë formohen ndryshime periodike në indeksin e thyerjes në drejtimet hapësinore. Për ta bërë këtë, përdorni ndërhyrjen e dy ose më shumë valëve koherente, e cila krijon një shpërndarje periodike të intensitetit të rrezatimit elektromagnetik. Kristalet fotonike njëdimensionale krijohen nga ndërhyrja e dy valëve. Kristalet fotonike dydimensionale dhe tredimensionale krijohen nga ndërhyrja e tre ose më shumë valëve.
Zgjedhja e një metode specifike për prodhimin e kristaleve fotonike përcaktohet kryesisht nga rrethanat se çfarë dimensioni duhet të prodhohet struktura - një-dimensionale, dy-dimensionale ose tre-dimensionale.
Strukturat periodike njëdimensionale. Mënyra më e thjeshtë dhe më e zakonshme për të marrë struktura periodike njëdimensionale është depozitimi me vakum shtresë pas shtrese i filmave polikristaline nga materialet dielektrike ose gjysmëpërçuese. Kjo metodë është bërë e përhapur në lidhje me përdorimin e strukturave periodike në prodhimin e pasqyrave lazer dhe filtrave të ndërhyrjes. Në struktura të tilla, kur përdoren materiale me indekse thyese që ndryshojnë me rreth 2 herë (për shembull, ZnSe dhe Na 3 AlF 6), është e mundur të krijohen breza reflektimi spektral (boshllëqe të brezit fotonik) deri në 300 nm të gjerë, duke mbuluar pothuajse i gjithë rajoni i dukshëm i spektrit.
Përparimet në sintezën e heterostrukturave gjysmëpërçuese në dekadat e fundit bëjnë të mundur krijimin e strukturave plotësisht me një kristal me një ndryshim periodik në indeksin e thyerjes përgjatë drejtimit të rritjes duke përdorur epitaksinë e rrezeve molekulare ose depozitimin e avullit duke përdorur komponime organometalike. Aktualisht, struktura të tilla janë pjesë e lazerëve gjysmëpërçues me zgavra vertikale. Raporti maksimal i arritshëm aktualisht i indekseve të thyerjes së materialeve, me sa duket, korrespondon me çiftin GaAs/Al 2 O 3 dhe është rreth 2. Duhet të theksohet përsosja e lartë e strukturës kristalore të pasqyrave të tilla dhe saktësia e formimit të trashësia e shtresës në nivelin e një periudhe grilimi (rreth 0,5 nm).
Kohët e fundit, është demonstruar mundësia e krijimit të strukturave periodike gjysmëpërçuese njëdimensionale duke përdorur një maskë fotolitografike dhe gravurë selektive. Gjatë gdhendjes së silikonit, është e mundur të krijohen struktura me një periudhë të rendit 1 μm ose më shumë, ndërsa raporti i indekseve të thyerjes së silikonit dhe ajrit është 3.4 në rajonin e afërt infra të kuqe, një vlerë jashtëzakonisht e lartë e paarritshme nga metoda të tjera sinteze. . Një shembull i një strukture të ngjashme të marrë në Institutin Fiziko-Teknik. A. F. Ioffe RAS (Shën Petersburg), është paraqitur në fig. 3.96.
Oriz. 3.96. Struktura periodike silikon-ajër e marrë nga gravimi anizotropik duke përdorur një maskë fotolitografike (periudha e strukturës 8 µm)
Strukturat periodike dydimensionale. Strukturat periodike dydimensionale mund të fabrikohen duke përdorur gravurë selektive të gjysmëpërçuesve, metaleve dhe dielektrikëve. Teknologjia e gravurës selektive është zhvilluar për silikon dhe alumin për shkak të përdorimit të gjerë të këtyre materialeve në mikroelektronikë. Siliconi poroz, për shembull, konsiderohet si një material optik premtues që do të bëjë të mundur krijimin e sistemeve optoelektronike të integruara me një shkallë të lartë integrimi. Kombinimi i teknologjive të avancuara të silikonit me efektet e madhësisë kuantike dhe parimet e formimit të boshllëqeve të brezit fotonik ka çuar në zhvillimin e një drejtimi të ri - fotonikën e silikonit.
Përdorimi i litografisë submikrone për formimin e maskave bën të mundur krijimin e strukturave të silikonit me një periudhë prej 300 nm ose më pak. Për shkak të përthithjes së fortë të rrezatimit të dukshëm, kristalet fotonike të silikonit mund të përdoren vetëm në rajonet infra të kuqe të afërt dhe të mesme të spektrit. Kombinimi i gdhendjes dhe oksidimit, në parim, bën të mundur vazhdimin e strukturave periodike oksid silikoni-ajër, por në të njëjtën kohë, raporti i ulët i indeksit të thyerjes (komponenti 1.45) nuk lejon formimin e një hendeku të plotë brezi në dy dimensione.
Strukturat periodike dydimensionale të përbërjeve gjysmëpërçuese A 3 B 5, të cilat përftohen gjithashtu me gravurë selektive duke përdorur maska ose shabllone litografike, duken premtuese. Komponimet A 3 B 5 janë materialet kryesore të optoelektronikës moderne. Komponimet InP dhe GaAs kanë një hendek brezi më të madh se silikoni dhe të njëjtat vlera të larta të indeksit të thyerjes si silikoni, përkatësisht të barabartë me 3.55 dhe 3.6.
Shumë interesante janë strukturat periodike të bazuara në oksid alumini (Fig. 3.97a). Ato përftohen me gdhendje elektrokimike të aluminit metalik, në sipërfaqen e të cilit formohet një maskë duke përdorur litografi. Duke përdorur shabllone litografike elektronike, u përftuan struktura periodike dydimensionale perfekte që ngjasojnë me huall mjalti me një diametër pore më të vogël se 100 nm. Duhet të theksohet se gravurja selektive e aluminit në një kombinim të caktuar të kushteve të gravurës bën të mundur marrjen e strukturave të rregullta edhe pa përdorimin e ndonjë maske apo shablloni (Fig. 3.97b). Në këtë rast, diametri i poreve mund të jetë vetëm disa nanometra, gjë që është e paarritshme për metodat moderne litografike. Periodiciteti i poreve shoqërohet me vetërregullimin e procesit të oksidimit të aluminit gjatë reaksionit elektrokimik. Materiali përçues fillestar (alumini) gjatë reaksionit oksidohet në Al 2 O 3 . Filmi i oksidit të aluminit, i cili është një dielektrik, zvogëlon rrymën dhe ngadalëson reaksionin. Kombinimi i këtyre proceseve bën të mundur arritjen e një reaksioni të vetë-qëndrueshëm, në të cilin gravimi i vazhdueshëm bëhet i mundur nga kalimi i rrymës nëpër pore dhe produkti i reagimit formon një strukturë të rregullt huall mjalti. Disa parregullsi të poreve (Fig. 3.97b) janë për shkak të strukturës kokrrizore të filmit origjinal polikristalor të aluminit.
Oriz. 3.97. Kristal fotonik dydimensional i Al 2 O 3: a) i bërë duke përdorur një maskë litografike; b) të bëra me ndihmën e vetërregullimit të procesit të oksidimit
Një studim i vetive optike të aluminit nanoporoz tregoi një transparencë jashtëzakonisht të lartë të këtij materiali përgjatë drejtimit të poreve. Mungesa e reflektimit Fresnel, i cili ekziston në mënyrë të pashmangshme në ndërfaqen midis dy mediave të vazhdueshme, çon në vlerat e transmetimit që arrijnë në 98%. Në drejtimet pingul me poret, vërehet një reflektim i lartë me një koeficient reflektimi në varësi të këndit të rënies.
Vlerat relativisht të ulëta të lejueshmërisë së oksidit të aluminit, në ndryshim nga silikoni, arsenidi i galiumit dhe fosfidi i indiumit, nuk lejojnë formimin e një hendeku të plotë brezi në dy dimensione. Sidoqoftë, përkundër kësaj, vetitë optike të aluminit poroz janë mjaft interesante. Për shembull, ai ka një shpërndarje të theksuar anizotropike të dritës, si dhe një thyerje të dyfishtë, e cila e lejon atë të përdoret për të rrotulluar planin e polarizimit. Duke përdorur metoda të ndryshme kimike, është e mundur të mbushen poret me okside të ndryshme, si dhe me materiale optikisht aktive, të tilla si media optike jolineare, luminofore organike dhe inorganike dhe komponime elektrolumineshente.
Strukturat periodike tredimensionale. Strukturat periodike tredimensionale janë objekte që kanë vështirësitë më të mëdha teknologjike për zbatimin eksperimental. Historikisht, mënyra e parë për të krijuar një kristal fotonik tredimensional konsiderohet të jetë metoda e bazuar në shpimin mekanik të vrimave cilindrike në vëllimin e materialit, e propozuar nga E. Yablonovich. Fabrikimi i një strukture të tillë periodike tre-dimensionale është një detyrë mjaft e mundimshme; prandaj, shumë studiues janë përpjekur të krijojnë një kristal fotonik me metoda të tjera. Kështu, në metodën Lin-Fleming, një shtresë e dioksidit të silikonit aplikohet në një substrat silikoni, në të cilin më pas formohen shirita paralelë, të mbushur me silikon polikristalor. Më tej, procesi i aplikimit të dioksidit të silikonit përsëritet, por shiritat formohen në një drejtim pingul. Pas krijimit të numrit të kërkuar të shtresave, oksidi i silikonit hiqet me gravurë. Si rezultat, formohet një "grumbull druri" shufrash polisilikoni (Fig. 3.98). Duhet të theksohet se përdorimi i metodave moderne të litografisë së elektroneve nën mikron dhe gravimit të joneve anizotropike bën të mundur marrjen e kristaleve fotonike me trashësi më të vogël se 10 qeliza strukturore.
Oriz. 3.98. Struktura fotonike 3D nga shufrat e polisilikonit
Metodat për krijimin e kristaleve fotonike për gamën e dukshme, të bazuara në përdorimin e strukturave vetë-organizuese, janë bërë të përhapura. Vetë ideja e "montimit" të kristaleve fotonike nga globulat (topat) është huazuar nga natyra. Dihet, për shembull, se opalet natyrore kanë vetitë e kristaleve fotonike. Sipas përbërjes së tij kimike, opali mineral natyral është një hidrogel me dioksid silikoni SiO 2 × H 2 O me një përmbajtje të ndryshueshme uji: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H 2 O - 4,5–20%; Al 2 O 3 - deri në 9%; Fe 2 O 3 - deri në 3%; TiO 2 - deri në 5%. Duke përdorur mikroskopin elektronik, u zbulua se opalet natyrale formohen nga grimca sferike të ngushtë të α-SiO 2, me madhësi uniforme, me diametër 150-450 nm. Çdo grimcë përbëhet nga formacione më të vogla globulare me një diametër 5-50 nm. Boshllëqet e paketimit të rruzullit janë të mbushura me oksid silikoni amorf. Intensiteti i dritës së difraksionit ndikohet nga dy faktorë: i pari është paketimi i dendur "ideal" i globulave, i dyti është ndryshimi në indekset e thyerjes së oksidit amorf dhe kristalor SiO2. Opalet e zeza fisnike kanë lojën më të mirë të dritës (për ta, ndryshimi në vlerat e indeksit të thyerjes është ~ 0.02).
Është e mundur të krijohen kristale fotonike globulare nga grimcat koloidale në mënyra të ndryshme: sedimentimi natyror (precipitimi i një faze të shpërndarë në një lëng ose gaz nën veprimin e një fushe gravitacionale ose forcave centrifugale), centrifugim, filtrim duke përdorur membrana, elektroforezë, etj. Grimcat sferike veprojnë si grimca koloidale polistiren, polimetil metakrilat, grimca të dioksidit të silikonit α-SiO2.
Metoda natyrale e reshjeve është një proces shumë i ngadaltë, që kërkon disa javë apo edhe muaj. Në një masë të madhe, centrifugimi përshpejton procesin e formimit të kristaleve koloidale, por materialet e marra në këtë mënyrë janë më pak të renditura, pasi në një shkallë të lartë depozitimi, ndarja e grimcave sipas madhësisë nuk ka kohë të ndodhë. Për të përshpejtuar procesin e sedimentimit, përdoret elektroforeza: krijohet një fushë elektrike vertikale, e cila "ndryshon" gravitetin e grimcave në varësi të madhësisë së tyre. Përdoren gjithashtu metoda të bazuara në përdorimin e forcave kapilare. Ideja kryesore është që, nën veprimin e forcave kapilare, kristalizimi ndodh në kufirin e meniskut midis substratit vertikal dhe pezullimit, dhe ndërsa tretësi avullohet, formohet një strukturë e rregulluar mirë. Për më tepër, përdoret një gradient vertikal i temperaturës, i cili bën të mundur optimizimin më të mirë të shpejtësisë së procesit dhe cilësisë së kristalit të krijuar për shkak të rrymave të konvekcionit. Në përgjithësi, zgjedhja e teknikës përcaktohet nga kërkesat për cilësinë e kristaleve që rezultojnë dhe koha e kaluar për prodhimin e tyre.
Procesi teknologjik i rritjes së opaleve sintetike me sedimentim natyror mund të ndahet në disa faza. Fillimisht, përgatitet një pezullim monodispers (~ 5% devijim në diametër) i globulave sferike të oksidit të silikonit. Diametri mesatar i grimcave mund të ndryshojë në një gamë të gjerë: nga 200 në 1000 nm. Metoda më e njohur për marrjen e mikrogrimcave koloidale monodisperse të dioksidit të silikonit bazohet në hidrolizën e tetraetoksisilanit Si(C 2 H 4 OH) 4 në një mjedis ujë-alkool në prani të hidroksidit të amonit si katalizator. Kjo metodë mund të përdoret për të marrë grimca me një sipërfaqe të lëmuar të një forme sferike pothuajse ideale me një shkallë të lartë monodispersiteti (më pak se 3% devijim në diametër), si dhe për të krijuar grimca me madhësi më të vogla se 200 nm me një madhësi të ngushtë. shpërndarja. Struktura e brendshme e grimcave të tilla është fraktale: grimcat përbëhen nga sfera më të vogla të mbushura ngushtë (disa dhjetëra nanometra në diametër), dhe secila sferë e tillë formohet nga komplekse polihidrokso të silikonit të përbërë nga 10-100 atome.
Faza tjetër është depozitimi i grimcave (Fig. 3.99). Mund të zgjasë disa muaj. Pas përfundimit të hapit të depozitimit, formohet një strukturë periodike e ngushtë. Më pas, precipitati thahet dhe pjekja në një temperaturë prej rreth 600 ºС. Gjatë pjekjes, sferat zbuten dhe deformohen në pikat e kontaktit. Si rezultat, poroziteti i opaleve sintetike është më i vogël se sa për një paketim ideal sferik të dendur. pingul me drejtimin e boshtit të rritjes së kristalit fotonik, globulat formojnë shtresa gjashtëkëndore shumë të renditura të mbushura ngushtë.
Oriz. 3.99. Fazat e rritjes së opaleve sintetike: a) depozitimi i grimcave;
b) tharja e precipitatit; c) pjekja e mostrës
Në fig. 3.100a tregon një mikrograf të opalit sintetik të marrë nga mikroskopi elektronik skanues. Dimensionet e sferave janë 855 nm. Prania e porozitetit të hapur në opalet sintetike bën të mundur mbushjen e zbrazëtirave me materiale të ndryshme. Matricat opale janë nënshtresa tredimensionale të poreve të ndërlidhura me madhësi nanoz. Madhësitë e poreve janë të rendit të qindra nanometrave, dhe madhësitë e kanaleve që lidhin poret arrijnë dhjetëra nanometra. Në këtë mënyrë fitohen nanokompozite me bazë kristalet fotonike. Kërkesa kryesore e paraqitur në krijimin e nanokompoziteve me cilësi të lartë është plotësia e mbushjes së hapësirës nanoporoze. Mbushja kryhet me metoda të ndryshme: futja nga një zgjidhje në shkrirje; impregnimi me solucione të koncentruara i ndjekur nga avullimi i tretësit; metodat elektrokimike, depozitimi kimik me avull etj.
Oriz. 3.100. Fotomikrografi të kristaleve fotonike: a) nga opali sintetik;
b) nga mikrosferat e polistirenit
Gdhendja selektive e oksidit të silikonit nga përbërës të tillë rezulton në formimin e nanostrukturave të renditura hapësinore me porozitet të lartë (më shumë se 74% të vëllimit), të quajtura opale të përmbysur ose të përmbysur. Kjo metodë e marrjes së kristaleve fotonike quhet metoda shabllon. Si grimca koloidale monodisperse të renditura që formojnë një kristal fotonik, mund të veprojnë jo vetëm grimcat e oksidit të silikonit, por edhe, për shembull, ato polimere. Një shembull i një kristali fotonik të bazuar në mikrosferat e polistirenit është paraqitur në fig. 3.100b
abstrakte
Bërja e kristaleve fotonike
Krijimi i një kristali fotonik tredimensional në intervalin e gjatësisë valore të dukshme ka qenë një nga detyrat kryesore të shkencës së materialeve gjatë dhjetë viteve të fundit, për të cilën shumica e studiuesve janë fokusuar në dy qasje thelbësisht të ndryshme: përdorimin e metodave shabllone që krijojnë parakushte. për vetëorganizimin e nanosistemeve të sintetizuara dhe nanolithografinë.
Ndër grupin e parë të metodave, më të përhapurat janë ato që përdorin sfera koloidale monodisperse si shabllone për krijimin e trupave të ngurtë me një sistem periodik poresh. Këto metoda bëjnë të mundur marrjen e kristaleve fotonike me bazë metale, jometale, okside, gjysmëpërçues, polimere etj. Të gjitha këto metoda përfshijnë disa hapa të zakonshëm (Fig. 22).
Oriz. 22. Skema e sintezës shabllone të kristaleve fotonike
Në fazën e parë, sferat koloidale me përmasa të ngjashme "paketohen" në mënyrë të barabartë në formën e kornizave tre-dimensionale (ndonjëherë dy-dimensionale), të cilat më pas veprojnë si shabllone (Fig. 22a). Përveç vendosjes natyrore (spontane), centrifugimi, filtrimi i membranës dhe elektroforeza përdoren për të renditur sferat. Në të njëjtën kohë, në rastin e përdorimit të sferave të kuarcit, materiali që rezulton është një analog sintetik i opalit natyror.
Në fazën e dytë, zbrazëtitë në strukturën e shabllonit janë të ngopura me lëng, i cili më pas shndërrohet në një kornizë të fortë nën ndikime të ndryshme fizike dhe kimike. Metoda të tjera për mbushjen e zbrazëtirave të shabllonit me një substancë janë ose metoda elektrokimike ose metoda CVD (Fig. 22b).
Në fazën e fundit, shablloni (sferat koloidale) hiqet duke përdorur, në varësi të natyrës së tij, proceset e shpërbërjes ose dekompozimit termik (Fig. 22c). Strukturat që rezultojnë shpesh referohen si kopje të kundërta të kristaleve origjinale koloidale ose "opalet e kundërta".
Është e qartë se sferat e përdorura si shabllone për formimin e lëndëve të ngurta poroze duhet të lagen nga prekursorët e depozituar dhe gjithashtu duhet të hiqen lehtësisht në kushtet në të cilat struktura e krijuar e kornizës nuk shkatërrohet. Për më tepër, në mënyrë që materiali poroz përfundimtar të ketë veti fotonike, sferat duhet të kenë një shpërndarje të ngushtë të madhësisë: diametrat e tyre nuk duhet të ndryshojnë nga madhësia mesatare me më shumë se 5-8%.
Një kornizë shabllone e përbërë nga grimca koloidale monodisperse të renditura zakonisht përmendet në literaturë si "kristal koloidal" (kristal koloidal) (shih Fig. 22a). Si rregull, për formimin e tyre përdoren sferat e kuarcit ose lateksit polimer, megjithëse literatura përshkruan raste të përdorimit të pikave të emulsionit, arit dhe nanokristaleve gjysmëpërçues monodispers.
Për përdorim praktik, zonat pa defekte në një kristal fotonik nuk duhet të kalojnë 1000 μm 2. Prandaj, problemi i renditjes së grimcave sferike të kuarcit dhe polimerit është një nga më të rëndësishmit në krijimin e kristaleve fotonike.
Reshjet e grimcave koloidale vetëm nën veprimin e forcave gravitacionale modelojnë mekanizmin natyror të formimit të opalit natyror. Prandaj, kjo metodë është studiuar në detaje për një kohë të gjatë. Gjatë vendosjes së zgjatur, ndodh ndarja e madhësisë së grimcave, gjë që bën të mundur marrjen e mostrave të renditura mirë të opaleve sintetike, edhe nëse sferat e kuarcit të përdorura kanë një shpërndarje të konsiderueshme në madhësi.
Megjithatë, depozitimi natyror është një proces shumë i ngadaltë, zakonisht kërkon disa javë apo edhe muaj, veçanërisht kur diametri i sferës nuk i kalon 300 nm. Centrifugimi mund të përshpejtojë ndjeshëm procesin e formimit të kristaleve koloidale. Sidoqoftë, materialet e marra në kushte të tilla janë më pak të renditura, pasi me një shkallë të lartë depozitimi, ndarja e madhësisë së grimcave nuk ka kohë të ndodhë. Në këtë rast, siç u tregua në punim, cilësia e opalit që rezulton ndikohet fuqishëm nga shpejtësia e centrifugimit.
Kështu, gjatë depozitimit të grimcave sferike të kuarcit me një diametër 375-480 nm, kristalet koloidale më të renditura u morën me centrifugim me një shpejtësi prej 4000 rpm; me shpejtësi 3000 dhe 5000 rpm, mostrat u porositën shumë më keq. .
Oriz. 23. Ndikimi i elektroforezës në depozitimin e grimcave të mëdha sferike të kuarcit me diametër 870 nm: a) - elektroforeza nuk zbatohet; b) - aplikohet elektroforeza.
Metoda natyrore e reshjeve shoqërohet me një sërë vështirësish. Nëse përmasat e sferave të kuarcit janë mjaft të vogla (< 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) shkalla e depozitimit të tyre është aq e lartë sa bëhet e vështirë për të marrë vargje të renditura, dhe me një rritje të mëvonshme të madhësisë së sferave, është praktikisht e pamundur.
Në këtë drejtim, elektroforeza u përdor për të rritur shkallën e sedimentimit të sferave të vogla dhe për të ulur ato të mëdha. Në këto eksperimente, fusha elektrike vertikale (në varësi të drejtimit të saj) në disa raste "rriste" dhe në të tjera "ulte" forcën e gravitetit që vepronte mbi grimcat. Siç pritej, sa më i ngadalshëm të ishte procesi i depozitimit, aq më të renditura ishin mostrat. Për shembull, në punim u tregua se gjatë depozitimit natyral të grimcave të kuarcit me diametër 870 nm, formohet një kristal koloidal me strukturë krejtësisht të çrregullt (Fig. 23a). Përdorimi i elektroforezës bën të mundur marrjen e një materiali mjaft të rregulluar (Fig. 23b). Gjatë depozitimit të grimcave të kuarcit me diametër 205 nm, përdorimi i elektroforezës rriti ndjeshëm shkallën e sedimentimit (nga 0,09 në rastin e depozitimit natyror në 0,35 mm/h). Si rezultat, një kristal koloidal u formua jo në 2 muaj, por në më pak se dy javë, dhe nuk pati asnjë përkeqësim të vetive optike.
Një metodë tjetër për renditjen e sferave koloidale është metoda e depozitimit në membrana. Pra, në punime, kristale koloidale polimerike u përftuan duke filtruar një suspension që përmbante kryesisht sfera lateksi me diametër 300-1000 nm përmes një membrane të sheshtë polikarbonate me pore ~100 nm në madhësi, e cila mbante ato të mëdha, duke kaluar tretësin dhe ato më të vogla.
Kohët e fundit, metoda e renditjes së sferave koloidale, e lidhur me përdorimin e forcave kapilare, është bërë e përhapur. Tregohet se kristalizimi i grimcave nën mikron në kufirin e meniskut midis një substrati vertikal dhe një suspensioni koloidal, ndërsa ky i fundit avullon, çon në formimin e një strukture të hollë, të sheshtë, të rregulluar mirë. Në të njëjtën kohë, besohej se përdorimi i kësaj metode për të marrë kristale koloidale bazuar në grimcat me diametër > 400 nm është i pamundur, pasi sedimentimi i grimcave të mëdha nën veprimin e gravitetit, si rregull, ndodh më shpejt se lëvizja e meniskut përgjatë nënshtresës për shkak të avullimit të tretësit. Kjo krijon probleme të caktuara për aplikimet komerciale të metodës: kristalet fotonike në intervalin e gjatësisë valore 1,3-1,5 μm, e cila është e rëndësishme për komunikimet moderne, formohen në bazë të sferave me diametër në intervalin 700-900 nm.
Ky problem u zgjidh duke aplikuar një gradient të temperaturës që fillon konvekcionin: rrymat e konvekcionit ngadalësojnë sedimentimin, përshpejtojnë avullimin dhe çojnë në një rrjedhje të vazhdueshme të grimcave sferike në menisk (Fig. 24). Kështu, duke përdorur këtë metodë, u bë e mundur të arrihej renditja e sferave të kuarcit me një diametër prej 0.86 μm në një substrat silikoni. Duhet të theksohet se materiali i strukturës që rezulton karakterizohej nga një përqendrim dukshëm më i ulët i defekteve të pikës, dhe vetë kristalet koloidale të kuarcit ishin shumë më të mëdhenj se sa ishin marrë më parë.
Një metodë e thjeshtë për marrjen e kristaleve koloidale që nuk kërkon kushte ekstreme eksperimentale: renditja e grimcave sferike të polistirenit që ndodhin në sipërfaqen e ujit vetëm duke ngritur temperaturën e suspensionit në 90°C. Gjatë eksperimentit, sferat e lateksit me diametër 240 nm mbetën të pezulluara në tretësirë në një temperaturë konstante për më shumë se 2 muaj. Për shkak të avullimit të vazhdueshëm të tretësirës, përqendrimi i grimcave koloidale në sipërfaqen e saj, me sa duket, rritet ndjeshëm, gjë që çon në vetëorganizimin e tyre (nën veprimin e forcave kapilare) në rajone të renditura.
Oriz. 24 . Një metodë e renditjes së sferave të mëdha kuarci në sipërfaqen e një nënshtrese vertikale, duke përdorur veprimin e forcave kapilare dhe një gradient të temperaturës.
Llogaritjet kanë treguar se dendësia e sferave "të organizuara" bëhet më e vogël se dendësia e ujit, kështu që ato nuk fundosen. Në procesin e avullimit të mëtejshëm të ujit, shtresa e radhës e renditur i shtohet grupit primar, e kështu me radhë. Është ndryshimi i vogël midis densitetit të ujit (1 g / cm 3) dhe polistirenit (1,04 g / cm 3) që bën të mundur marrjen e kristaleve koloidale në sipërfaqen e tretësirës. Në të vërtetë, kur eksperimentoni me metanol (që ka një densitet shumë më të ulët ρ = 0,79 g/cm 3), nuk ndodh formimi i strukturave të renditura.
Metodat që përdorin formimin spontan të kristaleve fotonike
Formimi spontan i kristaleve fotonike përdor grimca koloidale (më shpesh përdoren grimca silikoni ose polistiren monodisperse, por materialet e tjera po bëhen gradualisht të disponueshme për t'u përdorur me zhvillimin e metodave teknologjike për prodhimin e tyre), të cilat janë në lëng dhe precipitojnë në një vëllim të caktuar si lëngu avullon. Ndërsa depozitohen mbi njëri-tjetrin, ato formojnë një kristal fotonik tredimensional dhe janë të renditur kryesisht në një rrjetë kristalore të përqendruar në fytyrë ose gjashtëkëndore. Kjo metodë është mjaft e ngadaltë, formimi i një kristali fotonik mund të zgjasë disa javë.
