Фотонный кристалл - Photonic crystal
Фотонный кристалл является периодическими оптическими нанострами-мурами , что влияет на движение фотонов во многом таким же образом , что ионные решетках влияют на электроны в твердых телах. Фотонные кристаллы встречаются в природе в виде структурной окраски и отражателей в виде животных , и в различных формах обещают быть полезными в ряде приложений.
В 1887 году английский физик лорд Рэлей экспериментировал с периодическими многослойными диэлектрическими пакетами, показав, что они имеют фотонную запрещенную зону в одном измерении. Интерес к исследованиям вырос в 1987 году с работой Эли Яблоновича и Саджива Джона по периодическим оптическим структурам с более чем одним измерением, которые теперь называются фотонными кристаллами.
Фотонные кристаллы могут быть изготовлены в одном, двух или трех измерениях. Одномерные фотонные кристаллы могут состоять из слоев, наплавленных или склеенных. Двумерные можно сделать фотолитографией или просверливанием отверстий в подходящей подложке. Способы изготовления трехмерных включают сверление под разными углами, наложение нескольких двухмерных слоев друг на друга, прямую лазерную запись или, например, инициирование самосборки сфер в матрице и растворение сфер.
Фотонные кристаллы, в принципе, могут найти применение везде, где нужно манипулировать светом. Существующие области применения включают тонкопленочную оптику с покрытиями для линз. Двумерные фотонно-кристаллические волокна используются в нелинейных устройствах и для передачи волн экзотических длин. Трехмерные кристаллы однажды могут быть использованы в оптических компьютерах . Трехмерные фотонные кристаллы могут привести к созданию более эффективных фотоэлектрических элементов в качестве источника энергии для электроники, тем самым сокращая потребность в электрическом вводе для питания.
Вступление
Фотонные кристаллы состоят из периодических диэлектрических , металло-диэлектрических или даже сверхпроводниковых микроструктур или наноструктур, которые влияют на распространение электромагнитных волн так же, как периодический потенциал в полупроводниковом кристалле влияет на электроны , определяя разрешенные и запрещенные электронные энергетические зоны . Фотонные кристаллы содержат регулярно повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью . Фотоны (действующие как волны) либо распространяются через эту структуру, либо нет, в зависимости от их длины волны. Длины волн, которые распространяются, называются модами , а группы разрешенных мод образуют полосы. Запрещенные диапазоны длин волн называются фотонными запрещенными зонами . Это приводит к появлению различных оптических явлений, таких как подавление спонтанного излучения , всенаправленные зеркала с высокой степенью отражения и волноводность с низкими потерями . Интуитивно можно понять, что запрещенная зона фотонных кристаллов возникает из-за деструктивной интерференции многократных отражений света, распространяющегося в кристалле на границах раздела областей с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, сродни запрещенной зоне электронов в твердых телах.
Периодичность структуры фотонного кристалла должна составлять примерно половину длины волны электромагнитных волн, которые необходимо дифрагировать . Это от ~ 350 нм (синий) до ~ 650 нм (красный) для фотонных кристаллов, которые работают в видимой части спектра, или даже меньше, в зависимости от среднего показателя преломления . Следовательно, повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью должны изготавливаться в таком масштабе, что сложно.
История
Фотонные кристаллы изучаются в той или иной форме с 1887 года, но никто не использовал термин фотонный кристалл до более чем 100 лет спустя - после того, как Эли Яблонович и Саджив Джон опубликовали две важные статьи о фотонных кристаллах в 1987 году. Ранняя история хорошо задокументирована. в форме рассказа, когда Американское физическое общество назвало его одним из важнейших достижений в области физики .
До 1987 г. одномерные фотонные кристаллы в виде периодических многослойных диэлектрических стопок (таких как зеркало Брэгга ) широко изучались. Лорд Рейли начал свое исследование в 1887 году, показав , что такие системы имеют одномерную фотонную ширину запрещенной зону, спектральный диапазон больших отражательной способность , известную как стоп-группа . Сегодня такие структуры используются в самых разных областях - от отражающих покрытий до повышения эффективности светодиодов и до зеркал с высокой отражающей способностью в определенных лазерных резонаторах (см., Например, VCSEL ). Полосы пропускания и заграждения в фотонных кристаллах были впервые доведены до практики Мелвином М. Вайнером, который назвал эти кристаллы «дискретной фазоупорядоченной средой». Мелвин М. Вайнер достиг этих результатов, расширив динамическую теорию Дарвина для рентгеновской брэгговской дифракции на произвольные длины волн, углы падения и случаи, когда падающий волновой фронт в плоскости решетки заметно рассеивается в прямом направлении. Детальное теоретическое исследование одномерных оптических структур было выполнено Владимиром Павловичем Быковым , который первым исследовал влияние фотонной запрещенной зоны на спонтанное излучение атомов и молекул, встроенных в фотонную структуру. Быков также размышлял о том, что могло бы произойти, если бы использовались двух- или трехмерные периодические оптические структуры. Концепция трехмерных фотонных кристаллов была затем обсуждена Отакой в 1979 году, который также разработал формализм для расчета структуры фотонных зон. Однако эти идеи возникли только после публикации в 1987 году двух важных статей Яблоновича и Джона. Обе эти работы касались периодических оптических структур большой размерности, т. Е. Фотонных кристаллов. Основная цель Яблоновича состояла в том, чтобы сконструировать фотонную плотность состояний для управления спонтанным излучением материалов, встроенных в фотонный кристалл. Идея Джона состояла в том, чтобы использовать фотонные кристаллы для воздействия на локализацию и контроль света.
После 1987 года количество научных работ, посвященных фотонным кристаллам, стало экспоненциально расти. Однако из-за сложности изготовления этих структур в оптических масштабах (см. Проблемы изготовления ) ранние исследования были либо теоретическими, либо в микроволновом режиме, когда фотонные кристаллы могут быть построены в более доступном сантиметровом масштабе. (Этот факт обусловлен свойством электромагнитных полей, известным как масштабная инвариантность. По сути, электромагнитные поля, как решения уравнений Максвелла , не имеют естественного масштаба длины, поэтому решения для структуры сантиметрового масштаба на микроволновых частотах такие же, как и для структуры нанометрового масштаба на оптических частотах.)
К 1991 году Яблонович продемонстрировал первую трехмерную фотонную запрещенную зону в микроволновом режиме. Структура, которую удалось создать Яблоновичу, включала просверливание множества отверстий в прозрачном материале, где отверстия каждого слоя образуют обратную алмазную структуру - сегодня она известна как Яблоновит .
В 1996 году Томас Краусс продемонстрировал двумерный фотонный кристалл в оптическом диапазоне длин волн. Это открыло путь для изготовления фотонных кристаллов в полупроводниковых материалах путем заимствования методов из полупроводниковой промышленности.
Сегодня в таких технологиях используются пластины фотонных кристаллов, которые представляют собой двумерные фотонные кристаллы, «вытравленные» на пластинах полупроводника. Полное внутреннее отражение ограничивает свет до плиты и допускает эффекты фотонного кристалла, такие как инженерная фотонная дисперсия в плите. Исследователи во всем мире ищут способы использовать пластины фотонных кристаллов в интегрированных компьютерных микросхемах, чтобы улучшить оптическую обработку связи - как внутри кристалла, так и между кристаллами.
Технология изготовления автоклонирования, предложенная для фотонных кристаллов инфракрасного и видимого диапазонов Sato et al. в 2002 году используется электронно-лучевая литография и сухое травление : литографически сформированные слои периодических канавок накладываются друг на друга путем регулируемого напыления и травления, что приводит к «стационарным гофрам» и периодичности. Были произведены устройства из диоксида титана / диоксида кремния и пятиокиси тантала / диоксида кремния, используя их характеристики дисперсии и пригодность для напыления.
Такие методы еще не получили коммерческого применения, но двумерные фотонные кристаллы коммерчески используются в фотонно-кристаллических волокнах (также известных как дырявые волокна из-за воздушных отверстий, которые проходят через них). Фотонно-кристаллические волокна были впервые разработаны Филипом Расселом в 1998 году и могут быть сконструированы так, чтобы обладать улучшенными свойствами по сравнению с (обычными) оптическими волокнами .
В трехмерных фотонных кристаллах исследования продвигались медленнее, чем в двумерных. Это связано с более сложным изготовлением. Изготовление трехмерных фотонных кристаллов не имело унаследованных технологий полупроводниковой промышленности. Тем не менее, были предприняты попытки адаптировать некоторые из тех же методов, и были продемонстрированы довольно продвинутые примеры, например, при строительстве структур «поленницы», построенных на плоской послойной основе. Другое направление исследований - попытка построить трехмерные фотонные структуры путем самосборки - по существу, позволяя смеси диэлектрических наносфер оседать из раствора в трехмерно-периодические структуры с фотонными запрещенными зонами. Группа Василия Астратова из Института Иоффе в 1995 году осознала, что природные и синтетические опалы представляют собой фотонные кристаллы с неполной запрещенной зоной. Первая демонстрация структуры «обратного опала» с полной фотонной запрещенной зоной была проведена в 2000 году исследователями из Университета Торонто, Канада, и Института материаловедения Мадрида (ICMM-CSIC), Испания. Постоянно расширяющаяся область естественной фотоники, биоинспирации и биомиметики - изучение природных структур с целью лучшего понимания и использования их в дизайне - также помогает исследователям фотонных кристаллов. Например, в 2006 году в чешуе бразильского жука был обнаружен естественный фотонный кристалл. Аналогичным образом в 2012 году кристаллическая структура алмаза была обнаружена у долгоносика, а архитектура типа гироида - у бабочки. Совсем недавно гироидные фотонные кристаллы были обнаружены в зазубринах перьев синекрылых листовых птиц и ответственны за блестящую синюю окраску птиц.
Строительные стратегии
Метод изготовления зависит от количества измерений, в которых должна существовать запрещенная фотонная зона.
- Примеры возможных структур фотонного кристалла в 1, 2 и 3 измерениях
Сравнение 1D, 2D и 3D структур фотонного кристалла (слева направо соответственно).
Схема одномерной фотонно-кристаллической структуры, состоящей из чередующихся слоев материала с высокой диэлектрической постоянной и материала с низкой диэлектрической проницаемостью. Эти слои обычно имеют толщину в четверть длины волны.
2D фотонно-кристаллическая структура в квадратной матрице.
Схема двумерного фотонного кристалла из круглых отверстий.
Трехмерный фотонный кристалл со структурой поленницы. Эти структуры имеют трехмерную запрещенную зону для всех поляризаций.
Одномерные фотонные кристаллы
В одномерном фотонном кристалле слои с разной диэлектрической проницаемостью могут быть нанесены или склеены вместе для образования запрещенной зоны в одном направлении. Брэгговская решетка является примером такого типа фотонного кристалла. Одномерные фотонные кристаллы могут быть изотропными или анизотропными, причем последние потенциально могут использоваться в качестве оптического переключателя .
Одномерный фотонный кристалл может образовывать бесконечное количество параллельных чередующихся слоев, заполненных метаматериалом и вакуумом. Это создает идентичные структуры фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) для TE- и TM-мод .
Недавно исследователи изготовили брэгговскую решетку на основе графена (одномерный фотонный кристалл) и продемонстрировали, что она поддерживает возбуждение поверхностных электромагнитных волн в периодической структуре с помощью гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм в качестве источника света. Кроме того, был предложен новый тип одномерного фотонного кристалла графен-диэлектрик. Эта структура может действовать как фильтр дальней инфракрасной области спектра и может поддерживать поверхностные плазмоны с низкими потерями для волноводов и датчиков. Одномерные фотонные кристаллы, легированные биоактивными металлами (например, серебром ), также были предложены в качестве сенсорных устройств для бактериальных загрязнений. Подобные планарные одномерные фотонные кристаллы из полимеров использовались для обнаружения паров летучих органических соединений в атмосфере. Помимо твердофазных фотонных кристаллов, некоторые жидкие кристаллы с определенным упорядочением могут демонстрировать фотонный цвет. Например, исследования показали, что несколько жидких кристаллов с ближним или дальним одномерным позиционным упорядочением могут образовывать фотонные структуры.
Двумерные фотонные кристаллы
В двух измерениях отверстия могут быть просверлены в подложке, прозрачной для длины волны излучения, которую запрещенная зона предназначена для блокировки. Успешно применяются треугольные и квадратные решетки отверстий.
Холи волокно или фотонный кристалл волокно может быть сделано путем принятия цилиндрических стержней из стекла в гексагональной решетке, а затем нагревание и растягивая их, треугольник, как межэлектродных зазоры между стеклянными стержнями сталью отверстием, удерживающими режимами.
Трехмерные фотонные кристаллы
Было построено несколько структурных типов:
- Сферы в алмазной решетке
- Яблоновец
- Структура поленницы - «стержни» многократно протравливается лучевой литографией , заливается и покрывается слоем нового материала. По мере повторения процесса каналы, протравленные в каждом слое, перпендикулярны слою ниже и параллельны каналам двумя слоями ниже и не совпадают по фазе с ними. Процесс повторяется до тех пор, пока конструкция не достигнет желаемой высоты. Затем заполняющий материал растворяется с помощью агента, который растворяет заполняющий материал, но не осаждаемый материал. В эту структуру, как правило, сложно внести дефекты.
- Обратные опалы или обратные коллоидные кристаллы- сферы (такие как полистирол или диоксид кремния ) могут осаждаться в кубической плотноупакованной решетке, суспендированной в растворителе . Затем вводится отвердитель, который превращает объем, занимаемый растворителем, в прозрачное твердое вещество. Затем сферы растворяют в кислоте, такой как соляная кислота . Коллоиды могут быть сферическими или несферическими. содержит более 750 000 полимерных наностержней. Свет, сфокусированный на этом светоделителе, проникает или отражается, в зависимости от поляризации.
Фотонно-кристаллические полости
Не только запрещенная зона, фотонные кристаллы могут иметь другой эффект, если мы частично устраним симметрию путем создания полости наноразмеров . Этот дефект позволяет направлять или улавливать свет с той же функцией, что и нанофотонный резонатор, и он характеризуется сильной диэлектрической модуляцией в фотонных кристаллах. Для волновода распространение света зависит от контроля в плоскости, обеспечиваемого фотонной запрещенной зоной, и от длительного удержания света, вызванного диэлектрическим рассогласованием. В случае световой ловушки свет сильно задерживается в полости, что приводит к дальнейшему взаимодействию с материалами. Во-первых, если мы поместим импульс света внутрь резонатора, он будет задержан на нано- или пикосекунды, и это пропорционально добротности резонатора. Наконец, если мы поместим эмиттер внутрь полости, излучение света также может быть значительно усилено, и или даже резонансная связь может проходить через колебания Раби. Это связано с квантовой электродинамикой резонатора, и взаимодействия определяются слабой и сильной связью эмиттера и резонатора. Первые исследования резонатора в одномерных фотонных пластинах обычно проводятся в решетчатых структурах или структурах с распределенной обратной связью . Для двумерных фотонно-кристаллических резонаторов они полезны для создания эффективных фотонных устройств в телекоммуникационных приложениях, поскольку они могут обеспечить очень высокий коэффициент качества до миллионов при объеме моды меньше длины волны . Для трехмерных фотонно-кристаллических полостей было разработано несколько методов, включая послойную литографию, литографию поверхностным ионным пучком и технику микроманипуляции . Все упомянутые фотонно-кристаллические полости, которые плотно ограничивают свет, предлагают очень полезные функции для интегральных фотонных схем, но сложно создать их таким образом, чтобы их можно было легко перемещать. Нет полного контроля над созданием резонатора, расположением резонатора и положением излучателя относительно максимального поля резонатора, пока исследования для решения этих проблем все еще продолжаются. Подвижная полость нанопроволоки в фотонных кристаллах - одно из решений для адаптации этого взаимодействия световой материи.
Проблемы изготовления
Изготовление фотонных кристаллов больших размеров сталкивается с двумя основными проблемами:
- Изготовление их с достаточной точностью, чтобы предотвратить потери на рассеяние, размывающие свойства кристалла.
- Разработка процессов, которые могут надежно массово производить кристаллы.
Одним из перспективных методов изготовления двумерно-периодических фотонных кристаллов является фотонно-кристаллическое волокно , такое как дырчатое волокно . Используя методы вытяжки волокна, разработанные для коммуникационного волокна, оно удовлетворяет этим двум требованиям, и фотонно-кристаллические волокна коммерчески доступны. Еще один перспективный метод создания двумерных фотонных кристаллов - это так называемая фотонная кристаллическая пластина. Эти структуры состоят из пластины материала, такого как кремний, на который можно нанести рисунок, используя методы полупроводниковой промышленности. Такие микросхемы предлагают возможность сочетать фотонную обработку с электронной обработкой на одном кристалле.
Для трехмерных фотонных кристаллов использовались различные методы, включая фотолитографию и методы травления, аналогичные тем, которые используются для интегральных схем . Некоторые из этих методов уже коммерчески доступны. Чтобы избежать сложного механизма нанотехнологических методов , некоторые альтернативные подходы включают выращивание фотонных кристаллов из коллоидных кристаллов как самоорганизующихся структур.
Массовые трехмерные фотонно-кристаллические пленки и волокна теперь могут быть произведены с использованием техники сборки сдвигом, при которой сферы коллоидного полимера размером 200–300 нм складываются в идеальные пленки с ГЦК решеткой. Поскольку частицы имеют более мягкое прозрачное резиновое покрытие, пленки можно растягивать и формовать, настраивая фотонные запрещенные зоны и создавая поразительные структурные цветовые эффекты.
Вычисление структуры фотонной зоны
Фотонная запрещенная зона (PBG) - это, по сути, зазор между воздушной линией и диэлектрической линией в дисперсионном соотношении системы PBG. Для проектирования фотонно-кристаллических систем важно спроектировать расположение и размер запрещенной зоны путем компьютерного моделирования с использованием любого из следующих методов:
- Метод расширения плоской волны
- Метод конечных элементов
- Конечных разностей во временной области методом
- Спектральный метод порядка n
- KKR метод
- Волна Блоха - метод MoM
По сути, эти методы определяют частоты (нормальные моды) фотонного кристалла для каждого значения направления распространения, заданного волновым вектором, или наоборот. Различные линии в полосовой структуре соответствуют различным случаям n , индекса полосы. Для введения в структуру фотонных зон см. Книги К. Сакоды и Джоаннопулоса.
Метод расширения плоских волн можно использовать для расчета зонной структуры с использованием собственной формулировки уравнений Максвелла и, таким образом, решения для собственных частот волновых векторов для каждого из направлений распространения. Он непосредственно решает диаграмму дисперсии. Значения напряженности электрического поля также могут быть рассчитаны в пространственной области задачи с использованием собственных векторов той же задачи. Для изображения, показанного справа, соответствует зонной структуре одномерного распределенного брэгговского отражателя ( DBR ) с воздушной сердцевиной, перемежающейся диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью 12,25, и отношением периода решетки к толщине воздушной сердцевины (d / a) 0,8, решается с использованием 101 плоской волны над первой неприводимой зоной Бриллюэна .
Для ускорения расчета структуры полосы частот можно использовать метод сокращенного расширения блоховского режима (RBME) . Метод RBME применяется «поверх» любого из упомянутых выше основных методов расширения. Для моделей больших элементарных ячеек метод RBME может сократить время вычисления зонной структуры до двух порядков.
Приложения
Фотонные кристаллы - это привлекательные оптические материалы для управления световым потоком и управления им. Одномерные фотонные кристаллы уже широко используются в виде тонкопленочной оптики , начиная с покрытий с низким и высоким отражением на линзах и зеркалах и заканчивая красками и чернилами, меняющими цвет . Высокомерные фотонные кристаллы представляют большой интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований, а двумерные начинают находить коммерческое применение.
Первые коммерческие продукты, включающие двухмерно-периодические фотонные кристаллы, уже доступны в форме фотонно-кристаллических волокон , в которых используется микромасштабная структура для ограничения света с кардинально отличающимися характеристиками по сравнению с обычным оптическим волокном для применения в нелинейных устройствах и для управления экзотическими длинами волн. Трехмерные аналоги еще далеки от коммерциализации, но могут предлагать дополнительные функции, такие как оптическая нелинейность, необходимая для работы оптических транзисторов, используемых в оптических компьютерах , когда некоторые технологические аспекты, такие как технологичность и основные трудности, такие как беспорядок, находятся под контролем.
В дополнение к вышесказанному, фотонные кристаллы были предложены в качестве платформы для разработки солнечных элементов и оптических датчиков, включая химические датчики и биосенсоры. Дивья, Дж; Сальвендран, S; Шиванта Раджа, А (2019). "Оптический биосенсор на основе фотонного кристалла: краткое исследование". Лазерная физика . ВГД Наука / Астро ООО 28 (6): 066206. DOI : 10,1088 / 1555-6611 / aab7d2 .</ref>
Смотрите также
- Окраска животного - Общий вид животного.
- Отражатели для животных
- Коллоидный кристалл
- Материал для левшей
- Метаматериал - материалы, обладающие свойствами, которые еще не были обнаружены в природе.
- Наноматериалы - материалы с размером гранул от 1 до 100 нм.
- Нанотехнология - область прикладной науки, тема которой - контроль над материей в атомном и (над) молекулярном масштабе.
- Оптическая среда
- Фотонно-кристаллическое волокно - класс оптического волокна, основанный на свойствах фотонных кристаллов.
- Фотонные метаматериалы
- Структурная окраска - Цвет живых существ, вызванный интерференционными эффектами.
- Superlens
- Суперпризма
- Тонкопленочная оптика - раздел оптики, который имеет дело с очень тонкими структурированными слоями из различных материалов.
- Настраиваемые метаматериалы