Опалы как шаблон для создания фотонных кристаллов

Развитие методов электронной микроскопии позволило установить, что благо­родные опалы состоят из однородных по размеру сферических частиц a-Si0₂ диаметром 150-450 нм, которые, в свою очередь, образованы из более мелких глобулярных структур диаметром 5-50 нм (рис. 13). Пустоты упаковки сфер a-Si0₂ заполнены аморфным оксидом кремния. Интенсивность дифрагирован­ного света определяется "идеальностью" упаковки микросфер и различием в показателях преломления кристаллического и аморфного оксида кремнияОбразование опала в природе связано с гидротермальными процессами или выветриванием.

Рис. 13

Синтетические опалы

Стадии выращивания синтетических опалов (рис. 14):

1) Синтез монодисперсной суспензии сферических частиц SiO2 диаметром 200-1000 нм; частицы SiO2 состоят из плотноупакованных сфер меньшего диаметра (из 10-100 атомов).

2) Суспензия отстаивается, частицы осаждаются, образуется плотноупакованная периодическая структура.

3). Осадок высушивают и отжигают для придания большей плотности и твердости.

Cинтетические опалы - матрицы для создания фотонных кристаллов: это композиты на основе опалов, где поры заполнены различными соединениями с большими n (Si, Ge, GaP, ZnO, ZrO2, WO3 и др.). Их оптические свойства определяются размером частиц и ε компонентов.

Для увеличения диэлектрического контраста SiO2 селективно вытравливают из композита - получают инвертированние опалы, где возможно достижение полной фотонной запрещенной зоны. На рис. 15 показаны микрофотографии инвертированных опалов ZrO2 и WO3.

Рис. 15.

6. Материалы на основе фотонных кристаллов. Области применения

Наиболее широкое распространение среди материалов, обладающих свой­ствами фотонных кристаллов, получили покрытия и краски на основе коллоидных микросфер. Опалоподобные структуры на основе полупроводниковых материалов оказываются крайне интересны с точки зрения их люминесцентных свойств, а именно, воздействия пространственной периодичности профиля диэлек­трической проницаемости на характеристики спонтанной эмиссии света.

Однако для решения многих прикладных задач необходимо научиться изме­нять свойства фотонных кристаллов в реальном времени с помощью внешних воздействий (например, приложением электрического или магнитного полей, механической деформации, нагрева). Одним из подходов к реализации этой задачи является заполнение пористой структуры опалов функциональными материалами (например, фото- или электрохромными веществами). В опалах, заполненных жидкокристаллическими фазами, диэлектрическая проницаемость которых зависит от температуры, была продемонстрирована возможность перестройки положения фотонной запрещенной зоны при нагревании. Однако инерционность жидких кристаллов ограничивает их применение миллисекундным диапазоном. Переход в область более коротких времен релаксации связан с поиском материалов, в которых диэлектрическая проницаемость может быть изменена внешним воздействием в нано-, пико- и фемтосекундном диапазонах. В связи с этим большой интерес представляет создание фотонных кристаллов на основе веществ, претерпевающих фазовые переходы при внешних воздействиях. При фазовом переходе действи­тельная часть диэлектрической проницаемости существенно изменяется, что, в свою очередь, позволяет изменять свойства фотонного кристалла.

Фотонно-кристаллические световоды (ФК-световоды) – перспективный элемент различных сенсоров. Оптические характеристики ФК световодов изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной.

Благодаря фотонным кристаллам открылась совершенно необычная возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле, из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости (заряженным проводником, окруженным диэлектриком). На рис.16 показаны в иды световодов, основанных на фотонных кристаллах.

Рис. 17.

Реальная в ближайшее время область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В настоящее время только 5% энергии, выделяемой лампой накаливания, попадают в диапазон видимой части света, остальная энергия выделяется в виде ненужного и даже вредного тепла (например, вольфрамовая нить, позволяющая обеспечить нагрев до 2000 С). Идеальным материалом был бы фотонный кристалл, для которого инфракрасный диапазон попадает в запрещенную зону, а основная часть энергии излучается в видимой области спектра.

Недавно был предложен перспективный материал, представляющий «губку» из тугоплавкого металла (того же вольфрама), погруженного в воздух или другую диэлектрическую среду. Период этого 3D-фотонного кристалла равен 4,2 мкм при толщине элементов структуры в 1,2 мкм. Очень широкая запрещенная зона в диапазоне от 8 до 20 мкм позволила повысить эффективность лампы накаливания до 60%.

Явление захвата, или пленения (confinment), излучения в фотонных кристаллах – принципиально новый эффект, который не основан на многократном поглощении и испускании фотонов. Его предполагается использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.

Вероятно, в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике. Однако для построения полностью оптической системы необходимо иметь чисто оптические устройства, обеспечивающие преобразование и обработку информации. Одна из проблем – создание так называемых нелинейных оптических материалов (НОМ), позволяющих управлять светом также с помощью света (оптическая коммутация). Работы в этой области ведутся, но пока оптические коммутаторы имеют слишком большие размеры.

Дата добавления: 2014-01-07