Under det senaste decenniet har utvecklingen av mikroelektronik saktat ner, eftersom gränserna för hastigheten för standardhalvledarenheter redan praktiskt taget har nåtts. Ett ökande antal studier ägnas åt utvecklingen av alternativa områden till halvledarelektronik - dessa är spintronik, mikroelektronik med supraledande element, fotonik och några andra.
Den nya principen för överföring och bearbetning av information med hjälp av ett ljus, snarare än en elektrisk signal, kan påskynda uppkomsten av ett nytt skede av informationsåldern.
Från enkla kristaller till fotoniska
Grunden för framtidens elektroniska enheter kan vara fotoniska kristaller - dessa är syntetiska ordnade material där dielektricitetskonstanten ändras periodiskt inuti strukturen. I kristallgittret hos en traditionell halvledare leder regelbundenheten, periodiciteten i arrangemanget av atomer till bildandet av den så kallade bandenergistrukturen - med tillåtna och förbjudna zoner. En elektron vars energi faller in i det tillåtna bandet kan röra sig genom kristallen, medan en elektron med energi i bandgapet är "låst".
I analogi med en vanlig kristall uppstod idén om en fotonisk kristall. I den orsakar permittivitetens periodicitet uppkomsten av fotoniska zoner, i synnerhet den förbjudna zonen, inom vilken utbredningen av ljus med en viss våglängd undertrycks. Det vill säga, eftersom fotoniska kristaller är transparenta för ett brett spektrum av elektromagnetisk strålning, sänder inte ljus med en vald våglängd (lika med två gånger strukturens period längs den optiska vägens längd).
Fotoniska kristaller kan ha olika dimensioner. Endimensionella (1D) kristaller är en flerskiktsstruktur av alternerande lager med olika brytningsindex. Tvådimensionella fotoniska kristaller (2D) kan representeras som en periodisk struktur av stavar med olika permittiviteter. De första syntetiska prototyperna av fotoniska kristaller var tredimensionella och skapades i början av 1990-talet av personalen vid forskningscentret Bell Labs(USA). För att få ett periodiskt gitter i ett dielektriskt material, borrade amerikanska forskare cylindriska hål på ett sådant sätt att de fick ett tredimensionellt nätverk av tomrum. För att materialet skulle bli en fotonisk kristall, modulerades dess permittivitet med en period på 1 centimeter i alla tre dimensionerna.
Naturliga analoger av fotoniska kristaller är pärlemorbeläggningar av skal (1D), antenner från en havsmus, polychaete mask (2D), vingar av en afrikansk segelbåtsfjäril och halvädelstenar, såsom opal (3D).
Men även idag, även med hjälp av de modernaste och dyraste metoderna för elektronlitografi och anisotrop jonetsning, är det svårt att producera defektfria tredimensionella fotoniska kristaller med en tjocklek på mer än 10 strukturella celler.
Fotoniska kristaller bör få bred tillämpning i fotonisk integrerad teknologi, som i framtiden kommer att ersätta elektriska integrerade kretsar i datorer. När information sänds med hjälp av fotoner istället för elektroner kommer strömförbrukningen att minska drastiskt, klockfrekvenser och informationsöverföringshastigheter kommer att öka.
Fotonisk kristall av titanoxid
Titanoxid TiO 2 har en uppsättning unika egenskaper såsom högt brytningsindex, kemisk stabilitet och låg toxicitet, vilket gör det till det mest lovande materialet för att skapa endimensionella fotoniska kristaller. Om vi betraktar fotoniska kristaller för solceller, så vinner titanoxid här på grund av dess halvledaregenskaper. En ökning av effektiviteten hos solceller som använder ett halvledarskikt med en periodisk fotonisk kristallstruktur, inklusive fotoniska kristaller av titanoxid, har tidigare demonstrerats.
Men än så länge är användningen av fotoniska kristaller baserade på titandioxid begränsad av bristen på en reproducerbar och billig teknik för deras skapelse.
Nina Sapoletova, Sergei Kushnir och Kirill Napolsky, medlemmar av fakulteten för kemi och fakulteten för materialvetenskap vid Moscow State University, har förbättrat syntesen av endimensionella fotoniska kristaller baserade på porösa titanoxidfilmer.
"Anodisering (elektrokemisk oxidation) av ventilmetaller, inklusive aluminium och titan, är en effektiv metod för att erhålla porösa oxidfilmer med nanometerstora kanaler," förklarade Kirill Napolsky, chef för den elektrokemiska nanostruktureringsgruppen, Candidate of Chemical Sciences.
Anodisering utförs vanligtvis i en elektrokemisk cell med två elektroder. Två metallplattor, en katod och en anod, sänks ner i elektrolytlösningen och en elektrisk spänning appliceras. Väte frigörs vid katoden och elektrokemisk oxidation av metallen sker vid anoden. Om spänningen som appliceras på cellen ändras periodiskt, bildas en porös film med en porositet specificerad i tjocklek på anoden.
Det effektiva brytningsindexet kommer att moduleras om pordiametern ändras periodiskt i strukturen. Titananodiseringsteknikerna som utvecklats tidigare gjorde det inte möjligt att erhålla material med en hög grad av strukturperiodicitet. Kemister från Moscow State University har utvecklat en ny metod för metallanodisering med spänningsmodulering beroende på anodiseringsladdningen, vilket gör det möjligt att skapa porösa anodiska metalloxider med hög noggrannhet. Möjligheterna med den nya tekniken demonstrerades av kemister som använde endimensionella fotoniska kristaller från anodisk titanoxid som exempel.
Som ett resultat av ändring av anodiseringsspänningen enligt en sinusform i intervallet 40–60 volt, erhöll forskare nanorör av anodisk titanoxid med en konstant ytterdiameter och en periodiskt föränderlig innerdiameter (se figur).
"De anodiseringsmetoder som användes tidigare gjorde det inte möjligt att få material med hög grad av strukturperiodicitet. Vi har utvecklat en ny metodik, vars nyckelkomponent är på plats(omedelbart under syntesen) mätning av anodiseringsladdningen, vilket gör det möjligt att med hög noggrannhet kontrollera tjockleken på skikt med olika porositet i den bildade oxidfilmen, ”förklarade en av författarna till arbetet, kandidat för kemiska vetenskaper Sergey Kushnir.
Den utvecklade tekniken kommer att förenkla skapandet av nya material med en modulerad struktur baserad på anodiska metalloxider. "Om vi betraktar användningen av fotoniska kristaller från anodisk titanoxid i solceller som en praktisk tillämpning av tekniken, så har en systematisk studie av inverkan av de strukturella parametrarna för sådana fotoniska kristaller på effektiviteten av ljusomvandling i solceller ännu att genomföras”, specificerade Sergey Kushnir.
) — ett material vars struktur kännetecknas av en periodisk förändring av brytningsindex i 1, 2 eller 3 rumsliga riktningar.
Beskrivning
En utmärkande egenskap hos fotoniska kristaller (PC) är närvaron av en rumsligt periodisk förändring i brytningsindex. Beroende på antalet rumsliga riktningar längs vilka brytningsindexet ändras periodiskt, kallas fotoniska kristaller endimensionella, tvådimensionella och tredimensionella, eller förkortas som 1D PC, 2D PC och 3D PC (D - från den engelska dimensionen) , respektive. Konventionellt visas strukturen för 2D PC och 3D PC i fig.
Det mest slående särdraget hos fotonkristaller är förekomsten i en 3D-dator med en tillräckligt stor kontrast i brytningsindexen för komponenterna i vissa spektrala regioner, som kallas totala fotoniska bandgap (PBG): förekomsten av strålning med fotonenergi som hör till. till PBG i sådana kristaller är omöjligt. Särskilt strålning vars spektrum tillhör PBG tränger inte in i PC:n från utsidan, kan inte existera i den och reflekteras helt från gränsen. Förbudet överträds endast om det finns strukturella defekter eller om storleken på PC:n är begränsad. I detta fall är målmedvetet skapade linjära defekter med små böjförluster (upp till mikron krökningsradier), punktdefekter är miniatyrresonatorer. Den praktiska implementeringen av de potentiella möjligheterna med 3D PC baserat på de breda möjligheterna att kontrollera egenskaperna hos ljus (foton) strålar har bara börjat. Det hämmas av bristen på effektiva metoder för att skapa högkvalitativa 3D-datorer, metoder för riktad bildning av lokala inhomogeniteter, linjära och punktdefekter i dem, såväl som metoder för gränssnitt med andra fotoniska och elektroniska enheter.
Betydligt större framsteg har gjorts mot den praktiska tillämpningen av 2D-datorer, som som regel används i form av plana (film) fotoniska kristaller eller i form av (PCF) (se detaljer i relevanta artiklar).
PCF är en tvådimensionell struktur med en defekt i den centrala delen, långsträckt i vinkelrät riktning. Eftersom PCF är en i grunden ny typ av optiska fibrer ger PCF möjligheter att transportera ljusvågor och kontrollera ljussignaler som är otillgängliga för andra typer.
Endimensionella PCs (1D PCs) är en flerskiktsstruktur av alternerande lager med olika brytningsindex. Inom klassisk optik, långt innan uttrycket "fotonisk kristall" uppträdde, var det välkänt att i sådana periodiska strukturer förändras karaktären av utbredningen av ljusvågor avsevärt på grund av fenomenen interferens och diffraktion. Till exempel har flerskiktsreflekterande beläggningar länge använts i stor utsträckning för tillverkning av speglar och filminterferensfilter, och volymetriska Bragg-gitter som spektralväljare och filter. Efter att termen PC blev allmänt använd började sådana skiktade media, där brytningsindexet periodiskt ändras längs en riktning, att tillskrivas klassen av endimensionella fotoniska kristaller. Vid vinkelrät ljusinfall är det spektrala beroendet av reflektionskoefficienten från flerskiktsbeläggningar den så kallade "Bragg-tabellen" - vid vissa våglängder närmar sig reflektionskoefficienten snabbt enhet med en ökning av antalet lager. Ljusvågor som faller inom det spektralområde som visas i fig. b pil, reflekteras nästan helt från den periodiska strukturen. Enligt FK:s terminologi är detta våglängdsområde och motsvarande intervall av fotonenergier (eller energibandet) förbjudna för ljusvågor som utbreder sig vinkelrätt mot skikten.
Potentialen för praktiska tillämpningar av datorer är enorm på grund av de unika möjligheterna att kontrollera fotoner och har ännu inte utforskats fullt ut. Det råder ingen tvekan om att nya anordningar och strukturella element kommer att föreslås under de kommande åren, möjligen fundamentalt annorlunda än de som används eller utvecklas idag.
Enorma framtidsutsikter för användningen av datorer i fotonik realiserades efter publiceringen av en artikel av E. Yablonovich, där det föreslogs att använda datorer med fulla PBG:er för att kontrollera det spontana emissionsspektrumet.
Bland de fotoniska enheterna som kan förväntas inom en snar framtid är följande:
- ultrasmå FK-lasrar med låg tröskel;
- superljusa datorer med ett kontrollerat emissionsspektrum;
- subminiatyr FK-vågledare med mikron böjradie;
- fotoniska integrerade kretsar med en hög grad av integration baserade på plana PC:er;
- miniatyr FK-spektralfilter, inklusive avstämbara sådana;
- FK-enheter med optiskt minne med direktåtkomst;
- FK optiska signalbehandlingsanordningar;
- medel för att leverera laserstrålning med hög effekt baserad på PCF med en ihålig kärna.
Den mest frestande, men också den svåraste tillämpningen av 3D-datorer är skapandet av ultrastora volymetriskt integrerade komplex av fotoniska och elektroniska enheter för informationsbehandling.
Andra potentiella användningsområden för 3D-fotoniska kristaller inkluderar tillverkning av konstgjorda opalbaserade smycken.
Fotoniska kristaller finns också i naturen, vilket ger ytterligare nyanser av färg till världen omkring oss. Således har pärlemorbeläggningen av skal av blötdjur, såsom haliotis, en 1D FC-struktur, antennerna hos en havsmus och borsten på en polychaete mask är 2D FC, och naturliga halvädelstens opaler och vingar av afrikansk sväljsvans. fjärilar (Papilio ulysses) är naturliga tredimensionella fotoniska kristaller.
Illustrationer
|
men– Struktur av tvådimensionell (överst) och tredimensionell (botten) PC; bär bandgapet för en endimensionell PC bildad av kvartsvåglängds GaAs/AlxOy-skikt (bandgapet visas med en pil); iär den inverterade nickel FC, erhållen av personalen vid FNM Moscow State University. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky och A.A. Eliseev |
2
Inledning Sedan urminnes tider har en person som har hittat en fotonisk kristall fascinerats av ett speciellt iriserande ljusspel i den. Det visade sig att iriserande överflöden av fjäll och fjädrar från olika djur och insekter beror på förekomsten av överbyggnader på dem, som fick namnet fotoniska kristaller för sina reflekterande egenskaper. Fotoniska kristaller finns i naturen i/på: mineraler (kalcit, labradorit, opal); på fjärilarnas vingar; skalbaggar; ögonen på vissa insekter; alger; fjäll av fisk; påfågelfjädrar. 3
Fotoniska kristaller Detta är ett material vars struktur kännetecknas av en periodisk förändring av brytningsindex i rumsliga riktningar Fotonisk kristall baserad på aluminiumoxid. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH OCH COSTAS M. SOUKOULIS "Direkt laserskrivning av tredimensionella fotoniska kristallmallar för telekommunikation"// Naturmaterial Vol. 3, P
Lite historia... 1887 Rayleigh var den första som undersökte utbredningen av elektromagnetiska vågor i periodiska strukturer, vilket är analogt med den endimensionella fotoniska kristallen Photonic Crystals - termen introducerades i slutet av 1980-talet. för att beteckna den optiska analogen av halvledare. Dessa är konstgjorda kristaller gjorda av en genomskinlig dielektrikum där luft "hål" skapas på ett ordnat sätt. fem
Fotoniska kristaller - framtiden för världens energi Fotoniska kristaller i hög temperatur kan inte bara fungera som en energikälla utan också som detektorer (energi, kemikalier) och sensorer av extremt hög kvalitet. Fotoniska kristaller skapade av Massachusetts forskare är baserade på volfram och tantal. Denna förening kan fungera tillfredsställande vid mycket höga temperaturer. Upp till ˚С. För att den fotoniska kristallen ska börja omvandla en typ av energi till en annan, bekväm att använda, kommer vilken källa som helst (termisk, radioemission, hård strålning, solljus, etc.) att fungera. 6
7
Dispersionslagen för elektromagnetiska vågor i en fotonisk kristall (diagram över utsträckta zoner). Den högra sidan visar för en given riktning i kristallen förhållandet mellan frekvensen? och värdena för ReQ (heldragna kurvor) och ImQ (streckad kurva i stoppzonen omega -
Photonic Gap Theory Det var inte förrän 1987 när Eli Yablonovitch från Bell Communications Research (nu professor vid UCLA) introducerade begreppet ett elektromagnetiskt bandgap. För att vidga horisonter: Föreläsning av Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Föreläsning av John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9
I naturen finns också fotoniska kristaller: på afrikanska sväljsvansfjärilars vingar, pärlemorbeläggningen av skal av blötdjur, som galiotis, havstulpaner från havsmusen och borsten från maskmasken. Foto av ett opalarmband. Opal är en naturlig fotonisk kristall. Den kallas "stenen av vilseledande förhoppningar" 10
11
Ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen" title="(!LANG: Fördelar med FA-baserade filter framför absorptionsmekanismen (absorberande mekanismen) för levande organismer: Interferensfärgning kräver inte absorption och avledning av ljusenergi, => ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen" class="link_thumb"> 12 !} Fördelar med FA-baserade filter framför absorptionsmekanismen (absorberande mekanismen) för levande organismer: Interferensfärgning kräver inte absorption och avledning av ljusenergi, => ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen. Fjärilar som lever i varma klimat har ett skimrande vingmönster, och strukturen av den fotoniska kristallen på ytan har visat sig minska absorptionen av ljus och därför uppvärmningen av vingarna. Havsmusen har använt fotoniska kristaller under lång tid. 12 ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen "> ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen. Fjärilar som lever i ett varmt klimat har ett skimrande vingmönster, och strukturen av den fotoniska kristallen på ytan, som det visade sig, minskar absorptionen av ljus och följaktligen uppvärmningen av vingarna. Havsmusen har redan använt fotoniska kristaller i praktiken under lång tid. , => ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentet"> title="Fördelar med FA-baserade filter framför absorptionsmekanismen (absorberande mekanismen) för levande organismer: Interferensfärgning kräver inte absorption och avledning av ljusenergi, => ingen uppvärmning och fotokemisk förstörelse av pigmentbeläggningen"> !}
Morpho didius iriserande fjäril och mikrofotografi av dess vinge som ett exempel på diffraktiv biologisk mikrostruktur. Iriserande naturlig opal (halvädelsten) och bild av dess mikrostruktur, bestående av tätt packade sfärer av kiseldioxid. 13
Klassificering av fotoniska kristaller 1. Endimensionell. I vilket brytningsindexet ändras periodiskt i en rumslig riktning som visas i figuren. I denna figur betecknar symbolen Λ förändringsperioden för brytningsindex och brytningsindexen för de två materialen (men i allmänhet kan vilket antal material som helst vara närvarande). Sådana fotoniska kristaller består av skikt av olika material parallella med varandra med olika brytningsindex och kan uppvisa sina egenskaper i en rumslig riktning vinkelrätt mot skikten. fjorton
2. Tvådimensionell. I vilket brytningsindexet ändras periodiskt i två rumsliga riktningar som visas i figuren. I denna figur skapas en fotonisk kristall av rektangulära områden med ett brytningsindex på n1, som är i ett medium med ett brytningsindex på n2. I detta fall är regionerna med brytningsindex n1 ordnade i ett tvådimensionellt kubiskt gitter. Sådana fotoniska kristaller kan uppvisa sina egenskaper i två rumsliga riktningar, och formen av regioner med ett brytningsindex n1 är inte begränsad till rektanglar, som i figuren, utan kan vara vilken som helst (cirklar, ellipser, godtyckliga, etc.). Kristallgittret där dessa regioner är ordnade kan också vara annorlunda, och inte bara kubiskt, som i figuren. 15
3. Tredimensionell. I vilket brytningsindexet periodiskt ändras i tre rumsliga riktningar. Sådana fotoniska kristaller kan uppvisa sina egenskaper i tre rumsliga riktningar, och de kan representeras som en rad volymetriska regioner (sfärer, kuber, etc.) ordnade i ett tredimensionellt kristallgitter. 16
Tillämpningar av fotoniska kristaller Den första tillämpningen är spektralkanalseparation. I många fall färdas inte en utan flera ljussignaler längs en optisk fiber. De behöver ibland sorteras - för att skicka var och en längs en separat väg. Till exempel - en optisk telefonkabel, genom vilken det finns flera samtal samtidigt vid olika våglängder. En fotonisk kristall är ett idealiskt verktyg för att "skära ut" den önskade våglängden från strömmen och rikta den dit den behövs. Den andra är ett kors för ljusflöden. En sådan anordning, som skyddar ljuskanaler från ömsesidig påverkan när de fysiskt korsar, är absolut nödvändig när man skapar en lätt dator och lätta datorchips. 17
Fotoniska kristaller i telekommunikation Det har inte gått så många år sedan början av den första utvecklingen, eftersom det blev klart för investerare att fotoniska kristaller är optiska material av en fundamentalt ny typ och att de har en ljus framtid. Utgången av utvecklingen av fotoniska kristaller i det optiska området till nivån för kommersiell tillämpning kommer troligen att ske inom telekommunikationsområdet. arton
21
Fördelar och nackdelar med litografiska och holografiska metoder för att erhålla FC Pluss: hög kvalitet på den formade strukturen. Snabb produktionshastighet Enkel massproduktion Nackdelar Dyr utrustning krävs Möjlig försämring av kantskärpa Svårt att tillverka inställningar 22
En närbild på botten visar den återstående grovheten i storleksordningen 10 nm. Samma grovhet syns på våra SU-8-mallar gjorda av holografisk litografi. Detta visar tydligt att denna grovhet inte är relaterad till tillverkningsprocessen, utan snarare till den slutliga upplösningen av fotoresisten. 24
För att flytta de fundamentala PBG-våglängderna i telekommunikationsläget från 1,5 µm och 1,3 µm, är det nödvändigt att ha ett avstånd i storleksordningen 1 µm eller mindre i stavarnas plan. De tillverkade proverna har ett problem: stavarna börjar komma i kontakt med varandra, vilket leder till en oönskad stor fyllning av fraktionen. Lösning: Minska stavens diameter, och fyll på fraktionen, genom att etsa i syrgasplasma 26
Optiska egenskaper hos en PC På grund av mediets periodicitet blir utbredningen av strålning inuti en fotonisk kristall liknande rörelsen av en elektron inuti en vanlig kristall under inverkan av en periodisk potential. Under vissa förhållanden bildas luckor i bandstrukturen på en PC, på samma sätt som förbjudna elektroniska band i naturliga kristaller. 27
En tvådimensionell periodisk fotonisk kristall erhålls genom att bilda en periodisk struktur av vertikala dielektriska stavar planterade i kvadratiskt bo på ett kiseldioxidsubstrat. Genom att placera "defekter" i en fotonisk kristall är det möjligt att skapa vågledare som, böjda i valfri vinkel, ger 100% transmission Tvådimensionella fotoniska strukturer med ett bandgap 28
En ny metod för att erhålla en struktur med polarisationskänsliga fotoniska bandgap Utveckling av ett tillvägagångssätt för att kombinera strukturen av ett fotoniskt bandgap med andra optiska och optoelektroniska enheter. Observation av kort- och långvågsbandsgränserna. Erfarenhetsmålet är: 29
De viktigaste faktorerna som bestämmer egenskaperna hos en fotonisk bandgap (PBG) struktur är brytningskontrasten, andelen höga och låga materialindex i gittret och arrangemanget av gitterelementen. Konfigurationen av den använda vågledaren är jämförbar med den för en halvledarlaser. Arrayen är mycket liten (100 nm i diameter) hål etsades på kärnan av vågledaren och bildar ett sexkantigt gitter 30
Fig. 2a Skiss av gittret och Brillouin-zonen som illustrerar symmetririktningarna i ett horisontellt tätpackat galler. b, c Mätning av transmissionsegenskaper på ett 19-nm fotoniskt gitter. 31 Brillouin-zoner med symmetriska riktningar
Fig. 4 Fotografier av det elektriska fältet för profilerna för vandringsvågor motsvarande band 1 (a) och band 2 (b), nära K-punkten för TM-polarisation. I a har fältet samma reflekterande symmetri kring y-z-planet som den plana vågen, så det bör lätt interagera med den inkommande plana vågen. Däremot i b är fältet asymmetriskt, vilket inte tillåter denna interaktion att inträffa. 33
Slutsatser: PBG-strukturer kan användas som speglar och element för direkt kontroll av emission i halvledarlasrar. Demonstration av PBG-koncept i vågledargeometri kommer att möjliggöra realisering av mycket kompakta optiska element att det kommer att vara möjligt att använda icke-linjära effekter 34
Klassificering av metoder för tillverkning av fotoniska kristaller. Fotoniska kristaller i naturen är en sällsynthet. De kännetecknas av ett speciellt iriserande ljusspel - ett optiskt fenomen som kallas irisation (översatt från grekiska - regnbåge). Dessa mineraler inkluderar kalcit, labradorit och opal SiO 2 ×n∙H 2 O med olika inneslutningar. Den mest kända bland dem är opal - ett halvädelt mineral, som är en kolloidal kristall som består av monodispersa sfäriska kiseloxidkulor. Från ljusspelet i den senare kommer termen opalescens, som betecknar en speciell typ av strålningsspridning som är karakteristisk endast för denna kristall.
De huvudsakliga metoderna för att tillverka fotoniska kristaller inkluderar metoder som kan delas in i tre grupper:
1. Metoder som använder spontan bildning av fotoniska kristaller. Denna grupp av metoder använder kolloidala partiklar såsom monodispersa silikon- eller polystyrenpartiklar, såväl som andra material. Sådana partiklar, som är i flytande ånga under avdunstning, avsätts i en viss volym. När partiklarna avsätts på varandra bildar de en tredimensionell fotonisk kristall och ordnas huvudsakligen i ett ansiktscentrerat eller hexagonalt kristallgitter. En bikakemetod är också möjlig, som går ut på att filtrera vätskan som partiklarna finns i genom små sporer. Även om bikakemetoden gör det möjligt att bilda en kristall med en relativt hög hastighet, bestämd av hastigheten för vätskeflödet genom porerna, bildas emellertid defekter i sådana kristaller vid torkning. Det finns andra metoder som använder spontan bildning av fotoniska kristaller, men varje metod har sina egna fördelar och nackdelar. Oftast används dessa metoder för att avsätta sfäriska kolloidala silikonpartiklar, men den resulterande brytningsindexkontrasten är relativt liten.
2. Metoder som använder objektetsning. Denna grupp av metoder använder en fotoresistmask formad på halvledarytan, som definierar geometrin för etsningsområdet. Med hjälp av en sådan mask bildas den enklaste fotoniska kristallen genom att etsa ytan på en halvledare som inte är täckt med en fotoresist. Nackdelen med denna metod är behovet av att använda fotolitografi med hög upplösning på nivån tiotals och hundratals nanometer. Dessutom används strålar av fokuserade joner, såsom Ga, för att göra fotoniska kristaller genom etsning. Sådana jonstrålar gör det möjligt att avlägsna en del av materialet utan användning av fotolitografi och ytterligare etsning. För att öka etsningshastigheten och förbättra dess kvalitet, samt att deponera material inuti de etsade områdena, används ytterligare behandling med nödvändiga gaser.
3. Holografiska metoder. Sådana metoder är baserade på tillämpningen av holografins principer. Med hjälp av holografi bildas periodiska förändringar i brytningsindex i rumsliga riktningar. För att göra detta, använd interferensen av två eller flera koherenta vågor, vilket skapar en periodisk fördelning av intensiteten av elektromagnetisk strålning. Endimensionella fotoniska kristaller skapas genom interferens av två vågor. Tvådimensionella och tredimensionella fotoniska kristaller skapas genom interferens av tre eller flera vågor.
Valet av en specifik metod för att tillverka fotoniska kristaller bestäms till stor del av omständigheten i vilken dimension strukturen behöver tillverkas - endimensionell, tvådimensionell eller tredimensionell.
Endimensionella periodiska strukturer. Det enklaste och vanligaste sättet att erhålla endimensionella periodiska strukturer är vakuumlager-för-lager-avsättning av polykristallina filmer från dielektriska eller halvledarmaterial. Denna metod har blivit utbredd i samband med användningen av periodiska strukturer vid framställning av laserspeglar och interferensfilter. I sådana strukturer, när man använder material med brytningsindex som skiljer sig med ungefär 2 gånger (till exempel ZnSe och Na 3 AlF 6), är det möjligt att skapa spektrala reflektionsband (fotoniska bandgap) upp till 300 nm breda, som täcker nästan hela det synliga området av spektrumet.
Framsteg i syntesen av halvledarheterostrukturer under de senaste decennierna gör det möjligt att skapa helt enkristallstrukturer med en periodisk förändring av brytningsindex längs tillväxtriktningen med hjälp av molekylär strålepitaxi eller ångavsättning med hjälp av organometalliska föreningar. För närvarande är sådana strukturer en del av halvledarlasrar med vertikala kaviteter. Förhållandet mellan brytningsindex för material som för närvarande kan uppnås motsvarar tydligen GaAs/Al 2 O 3-paret och är cirka 2. Det bör noteras den höga perfektionen av kristallstrukturen hos sådana speglar och noggrannheten i bildandet av skikttjockleken i nivå med en gitterperiod (ca 0,5 nm).
Nyligen har möjligheten att skapa periodiska endimensionella halvledarstrukturer med hjälp av en fotolitografisk mask och selektiv etsning demonstrerats. Vid etsning av kisel är det möjligt att skapa strukturer med en period av storleksordningen 1 μm eller mer, medan förhållandet mellan brytningsindexen för kisel och luft är 3,4 i det nära infraröda området, ett aldrig tidigare skådat högt värde som inte kan uppnås med andra syntesmetoder . Ett exempel på en liknande struktur erhållen vid Fysisk-tekniska institutet. A. F. Ioffe RAS (St. Petersburg), visas i fig. 3,96.
Ris. 3,96. Periodisk struktur av kisel-luft erhållen genom anisotropisk etsning med hjälp av en fotolitografisk mask (strukturperiod 8 µm)
Tvådimensionella periodiska strukturer. Tvådimensionella periodiska strukturer kan tillverkas med selektiv etsning av halvledare, metaller och dielektrika. Tekniken för selektiv etsning har utvecklats för kisel och aluminium på grund av den breda användningen av dessa material i mikroelektronik. Poröst kisel, till exempel, anses vara ett lovande optiskt material som kommer att göra det möjligt att skapa integrerade optoelektroniska system med hög grad av integration. Kombinationen av avancerad kiselteknologi med kvantstorlekseffekter och principerna för bildandet av fotoniska bandgap har lett till utvecklingen av en ny riktning - kiselfotonik.
Användningen av submikronlitografi för bildandet av masker gör det möjligt att skapa kiselstrukturer med en period av 300 nm eller mindre. På grund av den starka absorptionen av synlig strålning kan fotonkristaller av kisel endast användas i de när- och mittinfraröda områdena av spektrumet. Kombinationen av etsning och oxidation gör det i princip möjligt att gå vidare till periodiska kiseloxid-luftstrukturer, men samtidigt tillåter det låga brytningsindexförhållandet (komponent 1,45) inte bildandet av ett fullfjädrat bandgap i två dimensioner.
Tvådimensionella periodiska strukturer av A 3 B 5-halvledarföreningar, som också erhålls genom selektiv etsning med hjälp av litografiska masker eller mallar, verkar lovande. A 3 B 5-föreningar är huvudmaterialen i modern optoelektronik. InP- och GaAs-föreningarna har ett större bandgap än kisel och samma höga brytningsindexvärden som kisel, lika med 3,55 respektive 3,6.
Mycket intressant är periodiska strukturer baserade på aluminiumoxid (Fig. 3.97a). De erhålls genom elektrokemisk etsning av metalliskt aluminium, på vars yta en mask bildas med hjälp av litografi. Med hjälp av elektronlitografiska mallar erhölls perfekta tvådimensionella periodiska strukturer som liknar bikakor med en pordiameter på mindre än 100 nm. Det bör noteras att selektiv etsning av aluminium under en viss kombination av etsningsförhållanden gör det möjligt att erhålla regelbundna strukturer även utan användning av några masker eller mallar (Fig. 3.97b). I detta fall kan pordiametern bara vara några få nanometer, vilket är ouppnåeligt för moderna litografiska metoder. Porernas periodicitet är förknippad med självregleringen av aluminiumoxidationsprocessen under den elektrokemiska reaktionen. Det initiala ledande materialet (aluminium) under reaktionen oxideras till Al2O3. Aluminiumoxidfilmen, som är ett dielektrikum, minskar strömmen och saktar ner reaktionen. Kombinationen av dessa processer gör det möjligt att uppnå ett självuppehållande reaktionssätt, där kontinuerlig etsning möjliggörs genom att ström passerar genom porerna och reaktionsprodukten bildar en regelbunden bikakestruktur. Viss oregelbundenhet i porerna (fig. 3.97b) beror på den kornformiga strukturen hos den ursprungliga polykristallina aluminiumfilmen.
Ris. 3,97. Tvådimensionell fotonisk kristall av Al 2 O 3: a) gjord med användning av en litografisk mask; b) gjord med hjälp av självreglering av oxidationsprocessen
En studie av de optiska egenskaperna hos nanoporös aluminiumoxid visade en ovanligt hög transparens av detta material längs porriktningen. Frånvaron av Fresnel-reflektion, som oundvikligen finns i gränssnittet mellan två kontinuerliga medier, leder till att transmittansvärden når 98%. I riktningar vinkelräta mot porerna observeras en hög reflektion med en reflektionskoefficient beroende på infallsvinkeln.
De relativt låga värdena för permittiviteten för aluminiumoxid, i motsats till kisel, galliumarsenid och indiumfosfid, tillåter inte bildandet av ett fullfjädrat bandgap i två dimensioner. Trots detta är de optiska egenskaperna hos porös aluminiumoxid ganska intressanta. Till exempel har den en uttalad anisotrop ljusspridning, såväl som dubbelbrytning, vilket gör att den kan användas för att rotera polarisationsplanet. Med olika kemiska metoder är det möjligt att fylla porerna med olika oxider, såväl som optiskt aktiva material, såsom olinjära optiska medier, organiska och oorganiska luminoforer och elektroluminescerande föreningar.
Tredimensionella periodiska strukturer. Tredimensionella periodiska strukturer är objekt som har de största tekniska svårigheterna för experimentell implementering. Historiskt sett anses det första sättet att skapa en tredimensionell fotonisk kristall vara metoden baserad på mekanisk borrning av cylindriska hål i materialets volym, föreslagen av E. Yablonovich. Tillverkningen av en sådan tredimensionell periodisk struktur är en ganska mödosam uppgift; därför har många forskare försökt skapa en fotonisk kristall med andra metoder. I Lin-Fleming-metoden appliceras således ett lager av kiseldioxid på ett kiselsubstrat, i vilket parallella remsor sedan bildas, fyllda med polykristallint kisel. Vidare upprepas processen att applicera kiseldioxid, men remsorna formas i en vinkelrät riktning. Efter att ha skapat det erforderliga antalet lager, avlägsnas kiseloxid genom etsning. Som ett resultat bildas en "vedhög" av polykiselstavar (Fig. 3.98). Det bör noteras att användningen av moderna metoder för submikronelektronlitografi och anisotrop jonetsning gör det möjligt att erhålla fotoniska kristaller med en tjocklek på mindre än 10 strukturella celler.
Ris. 3,98. 3D fotonisk struktur från polykiselstavar
Metoder för att skapa fotoniska kristaller för det synliga området, baserade på användningen av självorganiserande strukturer, har blivit utbredda. Själva idén att "sätta ihop" fotoniska kristaller från kulor (kulor) är lånad från naturen. Det är till exempel känt att naturliga opaler har egenskaperna hos fotoniska kristaller. Enligt dess kemiska sammansättning är den naturliga mineralopalen en kiseldioxidhydrogel SiO 2 × H 2 O med en variabel vattenhalt: SiO 2 - 65 - 90 vikt. %; H2O - 4,5–20%; Al2O3 - upp till 9%; Fe2O3 - upp till 3%; TiO 2 - upp till 5 %. Med hjälp av elektronmikroskopi fann man att naturliga opaler bildas av tätt packade sfäriska partiklar av α-SiO 2 , enhetliga i storlek, 150–450 nm i diameter. Varje partikel består av mindre klotformade formationer med en diameter på 5–50 nm. Kulornas packningshålrum är fyllda med amorf kiseloxid. Intensiteten hos diffrakterat ljus påverkas av två faktorer: den första är den "ideala" täta packningen av kulor, den andra är skillnaden i brytningsindexen för amorf och kristallin oxid SiO 2 . Ädelsvarta opaler har det bästa ljusspelet (för dem är skillnaden i brytningsindexvärden ~ 0,02).
Det är möjligt att skapa globulära fotoniska kristaller från kolloidala partiklar på olika sätt: naturlig sedimentation (utfällning av en dispergerad fas i en vätska eller gas under inverkan av ett gravitationsfält eller centrifugalkrafter), centrifugering, filtrering med membran, elektrofores, etc. Sfäriska partiklar fungerar som kolloidala partiklar polystyren, polymetylmetakrylat, partiklar av kiseldioxid α-SiO 2 .
Den naturliga nederbördsmetoden är en mycket långsam process, som kräver flera veckor eller till och med månader. Centrifugering påskyndar i stor utsträckning processen för bildning av kolloidala kristaller, men de material som erhålls på detta sätt är mindre ordnade, eftersom separation av partiklar efter storlek inte hinner ske vid en hög avsättningshastighet. För att påskynda sedimenteringsprocessen används elektrofores: ett vertikalt elektriskt fält skapas, som "ändrar" partiklarnas gravitation beroende på deras storlek. Metoder baserade på användning av kapillärkrafter används också. Huvudtanken är att, under inverkan av kapillärkrafter, kristallisation sker vid meniskgränsen mellan det vertikala substratet och suspensionen, och när lösningsmedlet avdunstar bildas en finordnad struktur. Dessutom används en vertikal temperaturgradient, vilket gör det möjligt att bättre optimera processens hastighet och kvaliteten på den skapade kristallen på grund av konvektionsströmmar. I allmänhet bestäms valet av teknik av kraven på kvaliteten på de resulterande kristallerna och tiden som spenderas på deras tillverkning.
Den tekniska processen att odla syntetiska opaler genom naturlig sedimentering kan delas in i flera steg. Initialt framställs en monodispers (~5% avvikelse i diameter) suspension av sfäriska kiseloxidkulor. Den genomsnittliga partikeldiametern kan variera över ett brett område: från 200 till 1000 nm. Den mest välkända metoden för att erhålla monodispersa kolloidala kiseldioxidmikropartiklar är baserad på hydrolys av tetraetoxisilan Si(C2H4OH)4 i ett vatten-alkoholmedium i närvaro av ammoniumhydroxid som katalysator. Denna metod kan användas för att erhålla partiklar med en slät yta av en nästan idealisk sfärisk form med en hög grad av monodispersitet (mindre än 3 % avvikelse i diameter), samt för att skapa partiklar med storlekar mindre än 200 nm med en smal storlek distribution. Den inre strukturen hos sådana partiklar är fraktal: partiklarna består av tätpackade mindre sfärer (flera tiotals nanometer i diameter), och varje sådan sfär bildas av kiselpolyhydroxokomplex bestående av 10–100 atomer.
Nästa steg är avsättningen av partiklar (Fig. 3.99). Det kan pågå i flera månader. När deponeringssteget har slutförts bildas en tätpackad periodisk struktur. Därefter torkas fällningen och glödgas vid en temperatur av cirka 600 ºС. Under glödgningen mjuknar sfärerna och deformeras vid kontaktpunkterna. Som ett resultat är porositeten hos syntetiska opaler mindre än för en idealisk tät sfärisk packning. Vinkelrätt mot riktningen för den fotoniska kristalltillväxtaxeln bildar kulorna högordnade hexagonala tätpackade skikt.
Ris. 3,99. Stadier av odling av syntetiska opaler: a) avsättning av partiklar;
b) torkning av fällningen; c) provglödgning
På fig. 3.100a visar ett mikrofotografi av syntetisk opal erhållen genom svepelektronmikroskopi. Måtten på sfärerna är 855 nm. Närvaron av öppen porositet i syntetiska opaler gör det möjligt att fylla tomrum med olika material. Opalmatriser är tredimensionella subgitter av sammankopplade porer i nanostorlek. Porstorlekarna är i storleksordningen hundratals nanometer, och storlekarna på kanalerna som förbinder porerna når tiotals nanometer. På så sätt erhålls nanokompositer baserade på fotoniska kristaller. Huvudkravet för att skapa högkvalitativa nanokompositer är fullständigheten i fyllningen av det nanoporösa utrymmet. Fyllning utförs med olika metoder: införande från en lösning i smältan; impregnering med koncentrerade lösningar följt av avdunstning av lösningsmedlet; elektrokemiska metoder, kemisk ångavsättning m.m.
Ris. 3.100. Mikrofotografier av fotoniska kristaller: a) från syntetisk opal;
b) från polystyrenmikrosfärer
Den selektiva etsningen av kiseloxid från sådana kompositer resulterar i bildandet av rumsligt ordnade nanostrukturer med hög porositet (mer än 74 % av volymen), kallade omvända eller inverterade opaler. Denna metod för att erhålla fotoniska kristaller kallas mallmetoden. Som ordnade monodispersa kolloidala partiklar som bildar en fotonisk kristall kan inte bara kiseloxidpartiklar, utan även till exempel polymera verka. Ett exempel på en fotonisk kristall baserad på polystyrenmikrosfärer visas i fig. 3.100b
abstrakt
Att göra fotoniska kristaller
Skapandet av en tredimensionell fotonisk kristall i det synliga våglängdsområdet har varit en av materialvetenskapens huvuduppgifter under de senaste tio åren, för vilka de flesta forskare har fokuserat på två fundamentalt olika tillvägagångssätt: användningen av mallmetoder som skapar förutsättningar för självorganisering av syntetiserade nanosystem och nanolitografi.
Bland den första gruppen av metoder är de mest utbredda de som använder monodispersa kolloidala sfärer som mallar för att skapa fasta ämnen med ett periodiskt system av porer. Dessa metoder gör det möjligt att erhålla fotoniska kristaller baserade på metaller, icke-metaller, oxider, halvledare, polymerer, etc. Alla dessa metoder inkluderar flera vanliga steg (Fig. 22).
Ris. 22. Schema för mallsyntes av fotoniska kristaller
I det första steget är kolloidala sfärer av liknande storlek jämnt "packade" i form av tredimensionella (ibland tvådimensionella) ramverk, som sedan fungerar som mallar (Fig. 22a). Förutom naturlig (spontan) sedimentering används centrifugering, membranfiltrering och elektrofores för att beställa sfärerna. Samtidigt, vid användning av kvartssfärer, är det resulterande materialet en syntetisk analog av naturlig opal.
I det andra steget impregneras hålrum i mallstrukturen med vätska, som sedan förvandlas till en solid ram under olika fysiska och kemiska influenser. Andra metoder för att fylla mallhålrum med en substans är antingen elektrokemiska metoder eller CVD-metoden (Fig. 22b).
I det sista steget avlägsnas mallen (kolloidala sfärer) med hjälp av, beroende på dess natur, processerna för upplösning eller termisk nedbrytning (Fig. 22c). De resulterande strukturerna hänvisas ofta till som omvända kopior av de ursprungliga kolloidala kristallerna eller "omvända opaler".
Det är uppenbart att sfärerna som används som mallar för bildning av porösa fasta ämnen måste vätas av de avsatta prekursorerna och måste också lätt avlägsnas under förhållanden under vilka den skapade ramstrukturen inte förstörs. Dessutom, för att det slutliga porösa materialet ska ha fotoniska egenskaper, bör sfärerna ha en snäv storleksfördelning: deras diametrar bör inte skilja sig från medelstorleken med mer än 5-8%.
En mallram bestående av ordnade monodispersa kolloidala partiklar kallas vanligtvis i litteraturen för en "kolloidal kristall" (kolloidalkristall) (se fig. 22a). Som regel används kvarts- eller polymerlatexsfärer för deras bildning, även om litteraturen beskriver fall av användning av emulsionsdroppar, guld och monodispersa halvledarnanokristaller.
För praktisk användning bör defektfria områden i en fotonisk kristall inte överstiga 1000 μm 2 . Därför är problemet med att beställa sfäriska kvarts- och polymerpartiklar en av de viktigaste vid skapandet av fotoniska kristaller.
Utfällningen av kolloidala partiklar endast under inverkan av gravitationskrafter modellerar den naturliga mekanismen för bildandet av naturlig opal. Därför har denna metod studerats i detalj under lång tid. Vid långvarig sedimentering sker partikelstorleksseparation, vilket gör det möjligt att få välordnade prover av syntetiska opaler, även om de använda kvartssfärerna har en betydande spridning i storlek.
Naturlig avsättning är dock en mycket långsam process som vanligtvis kräver flera veckor eller till och med månader, särskilt när sfärens diameter inte överstiger 300 nm. Centrifugering kan avsevärt påskynda processen för bildning av kolloidala kristaller. Emellertid är de material som erhålls under sådana förhållanden mindre ordnade, eftersom partikelstorleksseparation inte hinner inträffa vid en hög avsättningshastighet. I det här fallet, som visades i arbetet, påverkas kvaliteten på den resulterande opalen starkt av centrifugeringshastigheten.
Under avsättningen av sfäriska kvartspartiklar med en diameter på 375-480 nm erhölls således de mest välordnade kolloidala kristallerna genom centrifugering med en hastighet av 4000 rpm; vid hastigheter på 3000 och 5000 rpm beställdes proverna mycket sämre .
Ris. 23. Inverkan av elektrofores på avsättningen av stora sfäriska kvartspartiklar med en diameter av 870 nm: a) - elektrofores tillämpas inte; b) - elektrofores tillämpas.
Den naturliga nederbördsmetoden är förenad med ett antal svårigheter. Om storleken på kvartssfärerna är tillräckligt små (< 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) är deras avsättningshastighet så hög att det blir svårt att få ordnade arrayer, och med en efterföljande ökning av sfärernas storlek är det praktiskt taget omöjligt.
I detta avseende användes elektrofores för att öka sedimentationshastigheten för små sfärer och minska hastigheten för stora. I dessa experiment "ökade" det vertikala elektriska fältet (beroende på dess riktning) i vissa fall och i andra "minskade" tyngdkraften som verkar på partiklarna. Som väntat, ju långsammare deponeringsprocessen var, desto mer ordnade var proverna. Till exempel visades det i arbetet att under den naturliga avsättningen av kvartspartiklar med en diameter på 870 nm bildas en kolloidal kristall med en helt oordnad struktur (Fig. 23a). Användningen av elektrofores gör det möjligt att erhålla ett ganska välordnat material (fig. 23b). Under avsättningen av kvartspartiklar med en diameter på 205 nm ökade användningen av elektrofores signifikant sedimentationshastigheten (från 0,09 i fallet med naturlig deposition till 0,35 mm/h). Som ett resultat bildades en kolloidal kristall inte på 2 månader, utan på mindre än två veckor, och det fanns ingen försämring av optiska egenskaper.
En annan metod för att beställa kolloidala sfärer är metoden för avsättning på membran. Således erhölls polymera kolloidala kristaller i verken genom att filtrera en suspension innehållande huvudsakligen latexsfärer 300–1000 nm i diameter genom ett platt polykarbonatmembran med porer ~100 nm i storlek, som behöll stora, passerade lösningsmedlet och mindre.
Nyligen har metoden att beställa kolloidala sfärer, förknippad med användningen av kapillärkrafter, blivit utbredd. Det visas att kristalliseringen av submikrona partiklar vid meniskgränsen mellan det vertikala substratet och den kolloidala suspensionen, när den senare avdunstar, leder till bildandet av en tunn, platt, välordnad struktur. Samtidigt trodde man att användningen av denna metod för att erhålla kolloidala kristaller baserade på partiklar med en diameter på > 400 nm är omöjlig, eftersom sedimenteringen av stora partiklar under inverkan av gravitationen som regel sker snabbare än meniskens rörelse längs substratet på grund av lösningsmedelsavdunstning. Detta skapar vissa problem för kommersiella tillämpningar av metoden: fotoniska kristaller i våglängdsområdet 1,3–1,5 μm, vilket är viktigt för modern kommunikation, bildas på basis av sfärer med diametrar i intervallet 700–900 nm.
Detta problem löstes genom att applicera en temperaturgradient som initierar konvektion: konvektionsströmmar bromsar sedimentationen, accelererar avdunstning och leder till ett kontinuerligt flöde av sfäriska partiklar till menisken (fig. 24). Med denna metod var det således möjligt att uppnå beställning av kvartssfärer med en diameter av 0,86 μm på ett silikonsubstrat. Det bör betonas att materialet i den resulterande strukturen kännetecknades av en signifikant lägre koncentration av punktdefekter, och de kolloidala kvartskristallerna själva var mycket större än vad som tidigare erhållits.
En enkel metod för att erhålla kolloidala kristaller som inte kräver extrema experimentella förhållanden: beställning av sfäriska polystyrenpartiklar som sker på vattenytan endast genom att höja suspensionens temperatur till 90°C. Under experimentet förblev latexsfärer med en diameter av 240 nm suspenderade i lösning vid en konstant temperatur i mer än 2 månader. På grund av den kontinuerliga förångningen av lösningen ökar tydligen koncentrationen av kolloidala partiklar på dess yta avsevärt, vilket leder till deras självorganisering (under inverkan av kapillärkrafter) i ordnade regioner.
Ris. 24 . En metod för att beställa stora kvartssfärer på ytan av ett vertikalt substrat, med användning av kapillärkrafter och en temperaturgradient.
Beräkningar har visat att densiteten hos "organiserade" sfärer blir mindre än vattentätheten, så att de inte sjunker. I processen med ytterligare avdunstning av vatten läggs nästa ordnade lager till det primära klustret, och så vidare. Det är den lilla skillnaden mellan densiteten av vatten (1 g / cm 3) och polystyren (1,04 g / cm 3) som gör det möjligt att få kolloidala kristaller på lösningens yta. Faktum är att när man experimenterar med metanol (med en mycket lägre densitet ρ = 0,79 g/cm 3 ), uppstår inte bildningen av ordnade strukturer.
Metoder som använder spontan bildning av fotoniska kristaller
Spontan bildning av fotoniska kristaller använder kolloidala partiklar (oftast används monodispersa silikon- eller polystyrenpartiklar, men andra material blir gradvis tillgängliga för användning i takt med att tekniska metoder för deras framställning utvecklas), som finns i vätskan och fälls ut i en viss volym som vätskan avdunstar. När de avsätts på varandra bildar de en tredimensionell fotonisk kristall, och ordnas huvudsakligen i ett ansiktscentrerat eller hexagonalt kristallgitter. Denna metod är ganska långsam, bildandet av en fotonisk kristall kan ta veckor.
