Η ιδέα της φωτονικής δομών νανοκλίμακας και φωτονικών κρυστάλλων γεννήθηκε όταν αναλύθηκε η δυνατότητα δημιουργίας μιας δομής οπτικής ζώνης. Θεωρήθηκε ότι στη δομή της οπτικής ζώνης, όπως και στη δομή της ζώνης ημιαγωγών, θα έπρεπε να υπάρχουν επιτρεπόμενες και απαγορευμένες καταστάσεις για φωτόνια με διαφορετικές ενέργειες. Θεωρητικά, προτάθηκε ένα μοντέλο του μέσου στο οποίο οι περιοδικές αλλαγές στη διηλεκτρική σταθερά ή στον δείκτη διάθλασης του μέσου χρησιμοποιήθηκαν ως το δυναμικό περιοδικού πλέγματος. Έτσι, εισήχθησαν οι έννοιες του «φωτονικού χάσματος ζώνης» σε έναν «φωτονικό κρύσταλλο».

Φωτονικός κρύσταλλοςείναι ένα υπερπλέγμα στο οποίο δημιουργείται τεχνητά ένα πεδίο και η περίοδος του είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την περίοδο του κύριου πλέγματος. Ένας φωτονικός κρύσταλλος είναι ένα ημιδιαφανές διηλεκτρικό με συγκεκριμένη περιοδική δομή και μοναδικές οπτικές ιδιότητες.

Μια περιοδική δομή σχηματίζεται από μικροσκοπικές οπές που αλλάζουν περιοδικά τη διηλεκτρική σταθερά r Η διάμετρος αυτών των οπών είναι τέτοια ώστε κύματα φωτός αυστηρά καθορισμένου μήκους περνούν μέσα από αυτές. Όλα τα άλλα κύματα απορροφώνται ή αντανακλώνται.

Σχηματίζονται φωτονικές ζώνες στις οποίες η ταχύτητα διάδοσης φάσης του φωτός εξαρτάται από e. Στον κρύσταλλο, το φως διαδίδεται με συνέπεια και εμφανίζονται απαγορευμένες συχνότητες, ανάλογα με την κατεύθυνση διάδοσης. Η περίθλαση Bragg για φωτονικούς κρυστάλλους εμφανίζεται στην περιοχή οπτικού μήκους κύματος.

Τέτοιοι κρύσταλλοι ονομάζονται φωτονικά υλικά ζώνης (PBGB). Από την άποψη της κβαντικής ηλεκτρονικής, ο νόμος του Αϊνστάιν για διεγερμένη εκπομπή δεν ισχύει σε τέτοια ενεργά μέσα. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, οι ρυθμοί επαγόμενης εκπομπής και απορρόφησης είναι ίσοι και το άθροισμα των διεγερμένων Ν 2και ανενθουσιασμένος

των ατόμων JV είναι Α, + Ν., = Ν.Τότε ή 50%.

Στους φωτονικούς κρυστάλλους, είναι δυνατή η αναστροφή πληθυσμού σε επίπεδο 100%. Αυτό σας επιτρέπει να μειώσετε την ισχύ της αντλίας και να μειώσετε την περιττή θέρμανση του κρυστάλλου.

Εάν ένας κρύσταλλος εκτεθεί σε ηχητικά κύματα, τότε το μήκος του φωτεινού κύματος και η κατεύθυνση κίνησης του φωτεινού κύματος, χαρακτηριστική του κρυστάλλου, μπορεί να αλλάξει. Μια χαρακτηριστική ιδιότητα των φωτονικών κρυστάλλων είναι η αναλογικότητα του συντελεστή ανάκλασης Rφως στο τμήμα μακρών κυμάτων του φάσματος στη συχνότητά του στο τετράγωνο του 2, και όχι όπως για τη σκέδαση Rayleigh R~ με 4 . Η συνιστώσα βραχέων κυμάτων του οπτικού φάσματος περιγράφεται από τους νόμους της γεωμετρικής οπτικής.

Κατά τη βιομηχανική δημιουργία φωτονικών κρυστάλλων, είναι απαραίτητο να βρεθεί μια τεχνολογία για τη δημιουργία τρισδιάστατων υπερδικτύων. Αυτό είναι ένα πολύ δύσκολο έργο, καθώς οι τυπικές τεχνικές αντιγραφής που χρησιμοποιούν μεθόδους λιθογραφίας είναι απαράδεκτες για τη δημιουργία τρισδιάστατων νανοδομών.

Την προσοχή των ερευνητών τράβηξε το ευγενές οπάλιο (Εικ. 2.23). Είναι αυτό το ορυκτό Si() 2; Π 1.0 υποκατηγορία υδροξειδίων. Στα φυσικά οπάλια, τα κενά των σφαιριδίων γεμίζουν με πυρίτιο και μοριακό νερό. Από την άποψη της νανοηλεκτρονικής, τα οπάλια είναι πυκνά συσκευασμένα (κυρίως σύμφωνα με τον κυβικό νόμο) νανόσφαιρες (σφαιρίδια) πυριτίου. Κατά κανόνα, η διάμετρος των νανοσφαιρών κυμαίνεται από 200-600 nm. Η συσκευασία των σφαιριδίων πυριτίας σχηματίζει ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Τέτοια υπερδικτυώματα περιέχουν δομικά κενά με διαστάσεις 140-400 nm, τα οποία μπορούν να γεμιστούν με ημιαγωγικά, οπτικά ενεργά και μαγνητικά υλικά. Στη δομή του οπαλίου, είναι δυνατή η δημιουργία ενός τρισδιάστατου πλέγματος με δομή νανοκλίμακας. Η δομή της οπτικής μήτρας οπάλιο μπορεί να χρησιμεύσει ως 3Ε)-φωτονικός κρύσταλλος.

Αναπτύχθηκε η τεχνολογία του οξειδωμένου μακροπορώδους πυριτίου. Με βάση αυτή την τεχνολογική διαδικασία, δημιουργήθηκαν τρισδιάστατες δομές με τη μορφή καρφίδων πυριτίου (Εικ. 2.24).

Σε αυτές τις δομές ανακαλύφθηκαν κενά φωτονικών ζωνών. Οι παράμετροι των κενών ταινιών μπορούν να αλλάξουν στο στάδιο των λιθογραφικών διεργασιών ή με την πλήρωση της δομής των πείρων με άλλα υλικά.

Έχουν αναπτυχθεί διάφορα σχέδια λέιζερ με βάση φωτονικούς κρυστάλλους. Μια άλλη κατηγορία οπτικών στοιχείων που βασίζονται σε φωτονικούς κρυστάλλους είναι φωτονικές κρυσταλλικές ίνες(FKV). Εχουν

Ρύζι. 2.23.Δομή από συνθετικό οπάλιο (ΕΝΑ)και φυσικά οπάλια (σι)"

" Πηγή: Γκουντιλίν Ε. Α.[και τα λοιπά.]. Ο πλούτος του Νανόκοσμου. Φωτορεπορτάζ από τα βάθη της ύλης. επεξεργάστηκε από Yu. D. Tretyakova. Μ.: BINOM. Εργαστήριο Γνώσης, 2010.

Ρύζι. 2.24.

διάκενο ζώνης σε ένα δεδομένο εύρος μήκους κύματος. Σε αντίθεση με τις συμβατικές οπτικές ίνες, οι φωτονικές ίνες ζώνης έχουν την ικανότητα να μετατοπίζουν το μήκος κύματος μηδενικής διασποράς στην ορατή περιοχή του φάσματος. Σε αυτή την περίπτωση, παρέχονται συνθήκες για τρόπους διάδοσης του ορατού φωτός σολιτονίου.

Αλλάζοντας το μέγεθος των σωλήνων αέρα και, κατά συνέπεια, το μέγεθος του πυρήνα, είναι δυνατό να αυξηθεί η συγκέντρωση της ισχύος ακτινοβολίας φωτός και οι μη γραμμικές ιδιότητες των ινών. Με την αλλαγή της γεωμετρίας των ινών και της επένδυσης, είναι δυνατό να επιτευχθεί ο βέλτιστος συνδυασμός ισχυρής μη γραμμικότητας και χαμηλής διασποράς στο επιθυμητό εύρος μήκους κύματος.

Στο Σχ. Το 2.25 δείχνει το FKV. Χωρίζονται σε δύο τύπους. Ο πρώτος τύπος περιλαμβάνει FCF με συμπαγή πυρήνα οδηγού φωτός. Δομικά, μια τέτοια ίνα κατασκευάζεται με τη μορφή πυρήνα γυαλιού χαλαζία σε κέλυφος φωτονικού κρυστάλλου. Οι κυματικές ιδιότητες τέτοιων ινών παρέχονται τόσο από την επίδραση της ολικής εσωτερικής ανάκλασης όσο και από τις ιδιότητες ζώνης του φωτονικού κρυστάλλου. Επομένως, οι τρόποι χαμηλής τάξης διαδίδονται σε τέτοιες ίνες σε ένα ευρύ φάσμα φάσματος. Οι λειτουργίες υψηλής τάξης μετατοπίζονται στο κέλυφος και αποσυντίθενται εκεί. Σε αυτή την περίπτωση, οι ιδιότητες κυματοδηγού του κρυστάλλου για λειτουργίες μηδενικής τάξης καθορίζονται από την επίδραση της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης. Η δομή της ζώνης ενός φωτονικού κρυστάλλου εμφανίζεται μόνο έμμεσα.

Η δεύτερη τάξη του FKV έχει έναν κοίλο πυρήνα οδηγού φωτός. Το φως μπορεί να διαδοθεί τόσο στον πυρήνα των ινών όσο και στην επένδυση. Στον πυρήνα

Ρύζι. 2.25.

ΕΝΑ -τμήμα με συμπαγή πυρήνα οδηγού φωτός.

6 - διατομής με έναν κοίλο πυρήνα ινών οδηγού φωτός, ο δείκτης διάθλασης είναι μικρότερος από τον μέσο δείκτη διάθλασης της επένδυσης. Αυτό σας επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά την ισχύ της μεταφερόμενης ακτινοβολίας. Επί του παρόντος, έχουν δημιουργηθεί ίνες που έχουν απώλεια 0,58 dB/km ανά μήκος κύματος X = 1,55 μm, που είναι κοντά στην τιμή απώλειας σε τυπική ίνα απλής λειτουργίας (0,2 dB/km).

Μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων των φωτονικών κρυσταλλικών ινών, σημειώνουμε τα εξής:

• λειτουργία απλής λειτουργίας για όλα τα μήκη κύματος σχεδιασμού.
• ευρύ φάσμα αλλαγών στο βασικό σημείο λειτουργίας.
• σταθερός και υψηλός συντελεστής διασποράς για μήκη κύματος 1,3-1,5 μm και μηδενική διασπορά για μήκη κύματος στο ορατό φάσμα.
• ελεγχόμενες τιμές πόλωσης, διασπορά ομαδικής ταχύτητας, φάσμα μετάδοσης.

Οι ίνες με επένδυση φωτονικού κρυστάλλου χρησιμοποιούνται ευρέως για την επίλυση προβλημάτων στην οπτική, τη φυσική λέιζερ και ιδιαίτερα στα συστήματα τηλεπικοινωνιών. Πρόσφατα, διάφοροι συντονισμοί που προκύπτουν σε φωτονικούς κρυστάλλους έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον. Τα φαινόμενα πολαρίτον στους φωτονικούς κρυστάλλους συμβαίνουν κατά την αλληλεπίδραση ηλεκτρονικών και φωτονίων συντονισμού. Κατά τη δημιουργία μεταλλοδιηλεκτρικών νανοδομών με περίοδο πολύ μικρότερη από το οπτικό μήκος κύματος, είναι δυνατό να συνειδητοποιήσουμε μια κατάσταση στην οποία οι συνθήκες r

Ένα πολύ σημαντικό προϊόν της ανάπτυξης της φωτονικής είναι τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα οπτικών ινών. Η λειτουργία τους βασίζεται στις διαδικασίες ηλεκτρομετατροπής του σήματος πληροφοριών, μετάδοσης διαμορφωμένου οπτικού σήματος μέσω οδηγού φωτός οπτικών ινών και αντίστροφης οπτικοηλεκτρονικής μετατροπής.

Δεν μπορώ να προσποιούμαι ότι κρίνω τα χρώματα αμερόληπτα. Χαίρομαι για τις αστραφτερές αποχρώσεις και λυπάμαι πραγματικά για τα αραιά καφέ. (Σερ Ουίνστον Τσόρτσιλ).

Προέλευση φωτονικών κρυστάλλων

Κοιτάζοντας τα φτερά μιας πεταλούδας ή την επίστρωση κοχυλιών από φίλντισι (Εικόνα 1), εκπλαγείτε με το πώς η Φύση -ακόμα και για πολλές εκατοντάδες χιλιάδες ή εκατομμύρια χρόνια- μπόρεσε να δημιουργήσει τέτοιες εκπληκτικές βιοδομές. Ωστόσο, όχι μόνο στον βιόκοσμο υπάρχουν παρόμοιες δομές με ιριδίζοντα χρώματα, που αποτελούν παράδειγμα των σχεδόν απεριόριστων δημιουργικών δυνατοτήτων της Φύσης. Για παράδειγμα, το οπάλιο από ημιπολύτιμους λίθους γοήτευε τους ανθρώπους από την αρχαιότητα με τη λαμπρότητά του (Εικόνα 2).

Σήμερα, κάθε μαθητής της ένατης τάξης γνωρίζει ότι όχι μόνο οι διαδικασίες απορρόφησης και ανάκλασης του φωτός οδηγούν σε αυτό που ονομάζουμε χρώμα του κόσμου, αλλά και οι διαδικασίες περίθλασης και παρεμβολής. Τα πλέγματα περίθλασης, τα οποία μπορούμε να βρούμε στη φύση, είναι δομές με περιοδικά μεταβαλλόμενη διηλεκτρική σταθερά και η περίοδός τους είναι συγκρίσιμη με το μήκος κύματος του φωτός (Εικόνα 3). Αυτά μπορεί να είναι δικτυώματα 1D, όπως στην επικάλυψη από φίλντισι των κελυφών μαλακίων, όπως το κολύμπι, δισδιάστατα πλέγματα, όπως οι κεραίες του ποντικιού της θάλασσας, το σκουλήκι πολυχαίτη και τα τρισδιάστατα πλέγματα, που δίνουν το ιριδίζον μπλε χρώμα στις πεταλούδες από το Περού , καθώς και οπάλιο.

Σε αυτή την περίπτωση, η Nature, ως αναμφίβολα ο πιο έμπειρος χημικός υλικών, μας ωθεί στην εξής λύση: τρισδιάστατα πλέγματα οπτικής περίθλασης μπορούν να συντεθούν δημιουργώντας διηλεκτρικά πλέγματα που είναι γεωμετρικά συμπληρωματικά μεταξύ τους, δηλ. το ένα είναι αντίστροφο από το άλλο. Και αφού ο Jean-Marie Lehn είπε τη διάσημη φράση: «Αν υπάρχει κάτι, τότε μπορεί να συντεθεί», πρέπει απλώς να κάνουμε πράξη αυτό το συμπέρασμα.

Φωτονικοί ημιαγωγοί και φωτονικό χάσμα ζωνών

Έτσι, σε μια απλή διατύπωση, ένας φωτονικός κρύσταλλος είναι ένα υλικό του οποίου η δομή χαρακτηρίζεται από μια περιοδική αλλαγή του δείκτη διάθλασης στις χωρικές κατευθύνσεις, η οποία οδηγεί στο σχηματισμό ενός κενού φωτονικής ζώνης. Συνήθως, για να κατανοήσουμε την έννοια των όρων «φωτονικός κρύσταλλος» και «φωτονικό χάσμα ζώνης», ένα τέτοιο υλικό θεωρείται ως οπτική αναλογία με τους ημιαγωγούς. Η επίλυση των εξισώσεων του Maxwell για τη διάδοση του φωτός σε ένα διηλεκτρικό πλέγμα δείχνει ότι, λόγω της περίθλασης Bragg, η κατανομή συχνότητας των φωτονίων ω(k) ανάλογα με το διάνυσμα κύματος k (2π/λ) θα έχει περιοχές ασυνέχειας. Αυτή η δήλωση παρουσιάζεται γραφικά στο Σχήμα 4, το οποίο δείχνει την αναλογία μεταξύ της διάδοσης ενός ηλεκτρονίου σε ένα 1D κρυσταλλικό πλέγμα και ενός φωτονίου σε ένα 1D φωτονικό πλέγμα. Η συνεχής πυκνότητα των καταστάσεων ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου και ενός φωτονίου στο κενό υφίσταται θραύση εντός, αντίστοιχα, των κρυστάλλων και των δικτυωμάτων φωτονίων στις λεγόμενες «ζώνες διακοπής» στην τιμή του διανύσματος κύματος k (δηλαδή, ορμή). , που αντιστοιχεί σε στάσιμο κύμα. Αυτή είναι η προϋπόθεση για την περίθλαση Bragg ενός ηλεκτρονίου και ενός φωτονίου.

Το φωτονικό διάκενο ζώνης είναι ένα εύρος συχνοτήτων ω(k) στον αμοιβαίο χώρο των διανυσμάτων κύματος k, όπου η διάδοση φωτός ορισμένης συχνότητας (ή μήκους κύματος) απαγορεύεται στον φωτονικό κρύσταλλο προς όλες τις κατευθύνσεις, ενώ το φως που προσπίπτει στο φωτονικός κρύσταλλος ανακλάται πλήρως από αυτό. Εάν το φως «εμφανιστεί» μέσα σε έναν φωτονικό κρύσταλλο, τότε θα «παγώσει» μέσα σε αυτόν. Η ίδια η ζώνη μπορεί να είναι ημιτελής, η λεγόμενη ζώνη διακοπής. Το σχήμα 5 δείχνει 1D, 2D και 3D φωτονικούς κρυστάλλους στον πραγματικό χώρο και την πυκνότητα φωτονίων των καταστάσεων στον αντίστροφο χώρο.

Το φωτονικό διάκενο ζωνών ενός τρισδιάστατου φωτονικού κρυστάλλου είναι κάπως ανάλογο με το διάκενο της ηλεκτρονικής ζώνης σε έναν κρύσταλλο πυριτίου. Επομένως, το διάκενο της φωτονικής ζώνης «ελέγχει» τη ροή του φωτός σε έναν φωτονικό κρύσταλλο πυριτίου με παρόμοιο τρόπο με τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η μεταφορά του φορέα φορτίου σε έναν κρύσταλλο πυριτίου. Σε αυτές τις δύο περιπτώσεις, ο σχηματισμός του bandgap προκαλείται από στάσιμα κύματα φωτονίων ή ηλεκτρονίων, αντίστοιχα.

Φτιάξτε το δικό σας φωτονικό κρύσταλλο

Παραδόξως, οι εξισώσεις του Maxwell για τους φωτονικούς κρυστάλλους δεν είναι ευαίσθητες στην κλίμακα, σε αντίθεση με την εξίσωση Schrödinger στην περίπτωση των ηλεκτρονικών κρυστάλλων. Αυτό προκύπτει λόγω του γεγονότος ότι το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου σε έναν «κανονικό» κρύσταλλο είναι λίγο πολύ σταθερό σε ένα επίπεδο πολλών angstroms, ενώ η διαστασιακή κλίμακα του μήκους κύματος του φωτός στους φωτονικούς κρυστάλλους μπορεί να ποικίλλει από υπεριώδη έως μικροκυματική ακτινοβολία. αποκλειστικά λόγω αλλαγών στη διάσταση των σχαρών φωτονικών συστατικών. Αυτό οδηγεί σε πραγματικά ανεξάντλητες δυνατότητες ρύθμισης των ιδιοτήτων ενός φωτονικού κρυστάλλου.

Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την παραγωγή φωτονικών κρυστάλλων. χρησιμοποιούνται για την παραγωγή φωτονικών κρυστάλλων σε άλλες οπτικές συσκευές κ.λπ. Ωστόσο, δεν περιορίζονται όλα μόνο στη μεταβολή των διαστάσεων των δομικών στοιχείων. Φωτονικοί κρύσταλλοι μπορούν επίσης να δημιουργηθούν λόγω οπτικής μη γραμμικότητας, μετάπτωσης μετάλλου-μη μετάλλου, υγρής κρυσταλλικής κατάστασης, σιδηροηλεκτρικής διπλής διάθλασης, διόγκωσης και συστολής πολυμερών πηκτωμάτων και ούτω καθεξής, εφόσον αλλάζει ο δείκτης διάθλασης.

Που δεν υπάρχουν ελαττώματα;!

Δεν υπάρχουν πρακτικά υλικά στον κόσμο που να είναι απαλλαγμένα από ελαττώματα, και αυτό είναι καλό. Είναι ελαττώματα σε υλικά στερεάς φάσης στο β ΟΣε μεγαλύτερο βαθμό από την ίδια την κρυσταλλική δομή, επηρεάζουν τις διάφορες ιδιότητες των υλικών και, τελικά, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και πιθανούς τομείς εφαρμογής. Μια παρόμοια δήλωση ισχύει και στην περίπτωση των φωτονικών κρυστάλλων. Από τη θεωρητική θεώρηση προκύπτει ότι η εισαγωγή ελαττωμάτων (σημείο, εκτεταμένη - εξαρθρώσεις - ή κάμψη) στο μικροεπίπεδο σε ένα ιδανικό φωτονικό πλέγμα καθιστά δυνατή τη δημιουργία ορισμένων καταστάσεων μέσα στο διάκενο της φωτονικής ζώνης στις οποίες μπορεί να εντοπιστεί το φως και Η διάδοση του φωτός μπορεί να περιοριστεί ή, αντίθετα, να ενισχυθεί κατά μήκος και γύρω από έναν πολύ μικρό κυματοδηγό (Εικόνα 6). Αν κάνουμε μια αναλογία με τους ημιαγωγούς, τότε αυτές οι καταστάσεις μοιάζουν με επίπεδα ακαθαρσίας στους ημιαγωγούς. Φωτονικοί κρύσταλλοι με τέτοια «ελεγχόμενη ελάττωση» μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πλήρως οπτικών συσκευών και κυκλωμάτων για τη νέα γενιά τεχνολογιών οπτικών τηλεπικοινωνιών.

Light τεχνολογία πληροφορικής

Το σχήμα 7 δείχνει μια από τις φουτουριστικές εικόνες του ολόφωτου τσιπ του μέλλοντος, το οποίο, αναμφίβολα, συναρπάζει τη φαντασία χημικών, φυσικών και επιστημόνων υλικών εδώ και μια ολόκληρη δεκαετία. Το πλήρως οπτικό τσιπ αποτελείται από ενσωματωμένους φωτονικούς κρυστάλλους μικρού μεγέθους με περιοδικότητα 1D, 2D και 3D, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν ως διακόπτες, φίλτρα, λέιζερ χαμηλού ορίου κ.λπ., ενώ το φως μεταδίδεται μεταξύ τους μέσω κυματοδηγών αποκλειστικά λόγω δομικών ελαττωμάτων . Και παρόλο που το θέμα των φωτονικών κρυστάλλων υπάρχει στους «οδικούς χάρτες» για την ανάπτυξη φωτονικών τεχνολογιών, η έρευνα και οι πρακτικές εφαρμογές αυτών των υλικών παραμένουν ακόμα στα πολύ πρώιμα στάδια της ανάπτυξής τους. Αυτό είναι το θέμα των μελλοντικών ανακαλύψεων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στη δημιουργία πολύ ελαφρών υπερταχέων υπολογιστών, καθώς και κβαντικών υπολογιστών. Ωστόσο, για να πραγματοποιηθούν τα όνειρα συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας και πολλών επιστημόνων που έχουν αφιερώσει τη ζωή τους στη μελέτη τέτοιων ενδιαφερόντων και πρακτικά σημαντικών υλικών όπως οι φωτονικοί κρύσταλλοι, είναι απαραίτητο να απαντήσουμε σε μια σειρά ερωτημάτων. Για παράδειγμα, όπως: τι πρέπει να αλλάξει στα ίδια τα υλικά για να λυθεί το πρόβλημα που σχετίζεται με τη δημιουργία τέτοιων ολοκληρωμένων τσιπ από φωτονικούς κρυστάλλους μικρού μεγέθους μικρότερα για ευρεία πρακτική χρήση; Είναι δυνατόν, χρησιμοποιώντας μικροσχεδιασμό ("από πάνω προς τα κάτω"), ή αυτοσυναρμολόγηση ("από κάτω προς τα πάνω"), ή κάποια σύντηξη αυτών των δύο μεθόδων (για παράδειγμα, κατευθυνόμενη αυτοσυναρμολόγηση), να πραγματοποιηθεί σε βιομηχανική κλίμακα η παραγωγή τσιπ από φωτονικούς κρυστάλλους μικρού μεγέθους; Είναι πραγματικότητα η επιστήμη των υπολογιστών που βασίζεται σε μικροφωτονικά κρυστάλλινα τσιπάκια φωτός ή εξακολουθεί να είναι μια φουτουριστική φαντασίωση;

Ένας τεράστιος αριθμός έργων, και πρόσφατα μονογραφίες, είναι αφιερωμένοι στις ασυνήθιστες ιδιότητες των φωτονικών κρυστάλλων. Ας θυμηθούμε ότι οι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι εκείνα τα τεχνητά μέσα στα οποία, λόγω περιοδικών αλλαγών στις διηλεκτρικές παραμέτρους (εννοεί τον δείκτη διάθλασης), οι ιδιότητες της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (φως) γίνονται παρόμοιες με τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων που διαδίδονται σε πραγματικούς κρυστάλλους. Κατά συνέπεια, ο όρος «φωτονικός κρύσταλλος» τονίζει την ομοιότητα μεταξύ φωτονίων και ηλεκτρονίων. Η κβαντοποίηση των ιδιοτήτων των φωτονίων οδηγεί στο γεγονός ότι στο φάσμα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που διαδίδεται σε έναν φωτονικό κρύσταλλο, μπορούν να εμφανιστούν απαγορευμένες ζώνες στις οποίες η πυκνότητα των καταστάσεων των φωτονίων είναι μηδέν.

Ένας τρισδιάστατος φωτονικός κρύσταλλος με απόλυτο διάκενο ζώνης δημιουργήθηκε για πρώτη φορά για ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην περιοχή μικροκυμάτων. Η ύπαρξη ενός απόλυτου κενού ζώνης σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων δεν μπορούν να διαδοθούν σε έναν δεδομένο κρύσταλλο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, αφού η πυκνότητα της κατάστασης των φωτονίων των οποίων η ενέργεια αντιστοιχεί σε αυτή τη ζώνη συχνοτήτων είναι μηδέν σε οποιοδήποτε σημείο του κρυστάλλου. Όπως οι πραγματικοί κρύσταλλοι, οι φωτονικοί κρύσταλλοι μπορούν να είναι αγωγοί, ημιαγωγοί, μονωτές και υπεραγωγοί όσον αφορά την παρουσία και τις ιδιότητες του διακένου ζώνης τους. Εάν υπάρχουν "ελαττώματα" στο διάκενο ζώνης ενός φωτονικού κρυστάλλου, τότε είναι δυνατή η "σύλληψη" ενός φωτονίου από το "ελάττωμα", παρόμοια με το πώς ένα ηλεκτρόνιο ή μια τρύπα συλλαμβάνεται από μια αντίστοιχη ακαθαρσία που βρίσκεται στο διάκενο ζώνης ενός ημιαγωγός.

Τέτοια κύματα διάδοσης με ενέργεια που βρίσκεται μέσα στο διάκενο ζώνης ονομάζονται τρόποι ελαττώματος.

διάθλαση μεταϋλικού φωτονικού κρυστάλλου

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, ασυνήθιστες ιδιότητες ενός φωτονικού κρυστάλλου παρατηρούνται όταν οι διαστάσεις του στοιχειώδους κυττάρου του κρυστάλλου είναι της τάξης του μήκους του κύματος που διαδίδεται σε αυτό. Είναι σαφές ότι οι ιδανικοί φωτονικοί κρύσταλλοι στην περιοχή του ορατού φωτός μπορούν να παραχθούν μόνο χρησιμοποιώντας τεχνολογίες υπομικρών. Το επίπεδο της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας καθιστά δυνατή τη δημιουργία τέτοιων τρισδιάστατων κρυστάλλων.

Οι εφαρμογές των φωτονικών κρυστάλλων είναι αρκετά πολλές - οπτικοί απομονωτές, οπτικές πύλες, διακόπτες, πολυπλέκτες κ.λπ. Μία από τις εξαιρετικά σημαντικές δομές από πρακτική άποψη είναι οι φωτονικές κρυσταλλικές οπτικές ίνες. Κατασκευάστηκαν αρχικά από ένα σετ γυάλινων τριχοειδών αγγείων που συλλέγονταν σε ένα πυκνό πακέτο, το οποίο στη συνέχεια υποβλήθηκε σε συμβατική κουκούλα. Το αποτέλεσμα ήταν μια οπτική ίνα που περιέχει οπές σε τακτά χρονικά διαστήματα με χαρακτηριστικό μέγεθος περίπου 1 micron. Ακολούθως, λήφθηκαν οπτικοί οδηγοί φωτονικών κρυστάλλων διαφόρων διαμορφώσεων και με διαφορετικές ιδιότητες (Εικ. 9).

Μια νέα μέθοδος διάτρησης για τη δημιουργία οδηγών φωτονικού κρυστάλλου αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Ραδιομηχανικής και Ηλεκτρονικής και στο Επιστημονικό Κέντρο Οπτικών Ινών της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Αρχικά, οι μηχανικές οπές με οποιαδήποτε μήτρα τρυπήθηκαν σε ένα παχύ τεμάχιο επεξεργασίας χαλαζία και στη συνέχεια τραβήχτηκε το τεμάχιο εργασίας. Το αποτέλεσμα ήταν μια υψηλής ποιότητας φωτονική κρυσταλλική ίνα. Σε τέτοιους οδηγούς φωτός είναι εύκολο να δημιουργηθούν ελαττώματα διαφόρων σχημάτων και μεγεθών, έτσι ώστε να μπορούν να διεγείρονται ταυτόχρονα πολλές λειτουργίες φωτός, οι συχνότητες των οποίων βρίσκονται στο διάκενο ζώνης του φωτονικού κρυστάλλου. Τα ελαττώματα, ειδικότερα, μπορούν να λάβουν τη μορφή κοίλου καναλιού, έτσι ώστε το φως να μην διαδίδεται στον χαλαζία, αλλά μέσω του αέρα, γεγονός που μπορεί να μειώσει σημαντικά τις απώλειες σε μεγάλα τμήματα οδηγών φωτονικών κρυστάλλων. Η διάδοση της ορατής και υπέρυθρης ακτινοβολίας σε φωτονικούς κρυσταλλικούς οδηγούς φωτός συνοδεύεται από διάφορα φυσικά φαινόμενα: σκέδαση Raman, αρμονική ανάμειξη, αρμονική δημιουργία, η οποία τελικά οδηγεί στη δημιουργία υπερσυνέχειας.

Όχι λιγότερο ενδιαφέροντα, από την άποψη της μελέτης των φυσικών επιδράσεων και πιθανών εφαρμογών, είναι οι μονοδιάστατοι και δισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι. Αυστηρά μιλώντας, αυτές οι δομές δεν είναι φωτονικοί κρύσταλλοι, αλλά μπορούν να θεωρηθούν τέτοιοι όταν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται προς ορισμένες κατευθύνσεις. Ένας τυπικός μονοδιάστατος φωτονικός κρύσταλλος είναι μια πολυστρωματική περιοδική δομή που αποτελείται από στρώματα τουλάχιστον δύο ουσιών με πολύ διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Εάν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται κατά μήκος του κανονικού, εμφανίζεται ένα διάκενο ζώνης για ορισμένες συχνότητες σε μια τέτοια δομή. Εάν ένα από τα στρώματα της δομής αντικατασταθεί με μια ουσία με διαφορετικό δείκτη διάθλασης από τα άλλα ή το πάχος ενός στρώματος αλλάξει, τότε ένα τέτοιο στρώμα θα είναι ένα ελάττωμα ικανό να συλλάβει ένα κύμα του οποίου η συχνότητα βρίσκεται στο διάκενο ζώνης .

Η παρουσία ενός στρώματος μαγνητικού ελαττώματος σε μια διηλεκτρική μη μαγνητική δομή οδηγεί σε πολλαπλή αύξηση της περιστροφής Faraday του κύματος όταν διαδίδεται σε μια τέτοια δομή και σε αύξηση της οπτικής διαφάνειας του μέσου.

Σε γενικές γραμμές, η παρουσία μαγνητικών στρωμάτων στους φωτονικούς κρυστάλλους μπορεί να αλλάξει σημαντικά τις ιδιότητές τους, κυρίως στην περιοχή των μικροκυμάτων. Το γεγονός είναι ότι στην περιοχή μικροκυμάτων η μαγνητική διαπερατότητα των σιδηρομαγνητών σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων είναι αρνητική, γεγονός που διευκολύνει τη χρήση τους στη δημιουργία μεταϋλικών. Με τη σύζευξη τέτοιων ουσιών με μεταλλικά μη μαγνητικά στρώματα ή δομές που αποτελούνται από μεμονωμένους αγωγούς ή περιοδικές δομές αγωγών, είναι δυνατό να παραχθούν δομές με αρνητικές τιμές μαγνητικών και διηλεκτρικών σταθερών. Ένα παράδειγμα είναι οι δομές που δημιουργήθηκαν στο Ινστιτούτο Ραδιομηχανικής και Ηλεκτρονικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, σχεδιασμένες να ανιχνεύουν την «αρνητική» ανάκλαση και διάθλαση των κυμάτων μαγνητοστατικής περιστροφής. Αυτή η δομή είναι ένα φιλμ από γρανάτη σιδήρου υττρίου με μεταλλικούς αγωγούς στην επιφάνειά του. Οι ιδιότητες των μαγνητοστατικών κυμάτων σπιν που διαδίδονται σε λεπτές σιδηρομαγνητικές μεμβράνες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στη γενική περίπτωση, ένας από τους τύπους τέτοιων κυμάτων είναι ένα κύμα προς τα πίσω, επομένως το βαθμωτό γινόμενο του διανύσματος κύματος και του διανύσματος κατάδειξης για αυτόν τον τύπο κύματος είναι αρνητικό.

Η ύπαρξη οπισθοδρομικών κυμάτων στους φωτονικούς κρυστάλλους οφείλεται και στην περιοδικότητα των ιδιοτήτων του ίδιου του κρυστάλλου. Ειδικότερα, για κύματα των οποίων τα διανύσματα κυμάτων βρίσκονται στην πρώτη ζώνη Brillouin, η συνθήκη διάδοσης μπορεί να εκπληρωθεί όπως για τα άμεσα κύματα και για τα ίδια κύματα στη δεύτερη ζώνη Brillouin - όπως και για τα προς τα πίσω. Όπως τα μεταϋλικά, οι φωτονικοί κρύσταλλοι μπορούν επίσης να εμφανίσουν ασυνήθιστες ιδιότητες στη διάδοση των κυμάτων, όπως η «αρνητική» διάθλαση.

Ωστόσο, οι φωτονικοί κρύσταλλοι μπορεί να είναι ένα μεταϋλικό για το οποίο το φαινόμενο της «αρνητικής» διάθλασης είναι δυνατό όχι μόνο στην περιοχή μικροκυμάτων, αλλά και στην οπτική περιοχή συχνοτήτων. Τα πειράματα επιβεβαιώνουν την ύπαρξη «αρνητικής» διάθλασης σε φωτονικούς κρυστάλλους για κύματα με συχνότητες υψηλότερες από τη συχνότητα του πρώτου κενού ζώνης κοντά στο κέντρο της ζώνης Brillouin. Αυτό οφείλεται στην επίδραση της ταχύτητας της αρνητικής ομάδας και, κατά συνέπεια, ενός αρνητικού δείκτη διάθλασης για το κύμα. Στην πραγματικότητα, σε αυτό το εύρος συχνοτήτων τα κύματα αντιστρέφονται.

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι (PC) είναι δομές που χαρακτηρίζονται από περιοδική μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς στο χώρο. Οι οπτικές ιδιότητες των Η/Υ είναι πολύ διαφορετικές από τις οπτικές ιδιότητες των συνεχών μέσων. Η διάδοση της ακτινοβολίας μέσα σε έναν φωτονικό κρύσταλλο, λόγω της περιοδικότητας του μέσου, γίνεται παρόμοια με την κίνηση ενός ηλεκτρονίου μέσα σε έναν συνηθισμένο κρύσταλλο υπό την επίδραση ενός περιοδικού δυναμικού. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στους φωτονικούς κρυστάλλους έχουν φάσμα ζώνης και εξάρτηση συντεταγμένων παρόμοια με τα κύματα ηλεκτρονίων Bloch σε συνηθισμένους κρυστάλλους. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, σχηματίζονται κενά στη δομή της ζώνης των Η/Υ, παρόμοια με τις απαγορευμένες ηλεκτρονικές ζώνες σε φυσικούς κρυστάλλους. Ανάλογα με τις συγκεκριμένες ιδιότητες (υλικό των στοιχείων, το μέγεθός τους και περίοδος πλέγματος), και οι δύο εντελώς απαγορευμένες ζώνες συχνότητας, για τις οποίες η διάδοση της ακτινοβολίας είναι αδύνατη ανεξάρτητα από την πόλωση και κατεύθυνσή της, και μερικώς απαγορευμένες (ζώνες στάσης), στην οποία η κατανομή είναι δυνατή μόνο σε επιλεγμένες κατευθύνσεις.

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι ενδιαφέροντες τόσο από θεμελιώδη άποψη όσο και για πολλές εφαρμογές. Με βάση φωτονικούς κρυστάλλους, οπτικά φίλτρα, κυματοδηγοί (ιδίως σε γραμμές επικοινωνίας οπτικών ινών) και συσκευές που επιτρέπουν τον έλεγχο της θερμικής ακτινοβολίας έχουν δημιουργηθεί και αναπτυχθεί σχέδια λέιζερ με μειωμένο κατώφλι αντλίας με βάση τους φωτονικούς κρυστάλλους.

Εκτός από την αλλαγή των φασμάτων ανάκλασης, μετάδοσης και απορρόφησης, οι φωτονικοί κρύσταλλοι μετάλλου-διηλεκτρικού έχουν μια συγκεκριμένη πυκνότητα φωτονικών καταστάσεων. Η μεταβαλλόμενη πυκνότητα των καταστάσεων μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της διεγερμένης κατάστασης ενός ατόμου ή μορίου που τοποθετείται μέσα σε έναν φωτονικό κρύσταλλο και, κατά συνέπεια, να αλλάξει τον χαρακτήρα της φωταύγειας. Για παράδειγμα, εάν η συχνότητα μετάβασης σε ένα μόριο δείκτη που βρίσκεται σε έναν φωτονικό κρύσταλλο πέσει στο διάκενο ζώνης, τότε η φωταύγεια σε αυτή τη συχνότητα θα κατασταλεί.

Οι FC χωρίζονται σε τρεις τύπους: μονοδιάστατους, δισδιάστατους και τρισδιάστατους.

Μονοδιάστατοι, δύο και τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι. Διαφορετικά χρώματα αντιστοιχούν σε υλικά με διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές.

Τα FC με εναλλασσόμενα στρώματα από διαφορετικά υλικά είναι μονοδιάστατα.

Ηλεκτρονική εικόνα ενός μονοδιάστατου υπολογιστή που χρησιμοποιείται σε λέιζερ ως πολυστρωματικός καθρέφτης Bragg.

Οι δισδιάστατοι υπολογιστές μπορούν να έχουν περισσότερες διαφορετικές γεωμετρίες. Αυτά, για παράδειγμα, περιλαμβάνουν συστοιχίες κυλίνδρων απεριόριστου μήκους (το εγκάρσιο μέγεθός τους είναι πολύ μικρότερο από το διαμήκη) ή περιοδικά συστήματα κυλινδρικών οπών.

Ηλεκτρονικές εικόνες δισδιάστατων μπροστινών και αντίστροφων φωτονικών κρυστάλλων με τριγωνικό πλέγμα.

Οι δομές των τρισδιάστατων υπολογιστών είναι πολύ διαφορετικές. Τα πιο συνηθισμένα σε αυτή την κατηγορία είναι τα τεχνητά οπάλια - διατεταγμένα συστήματα σφαιρικών διαχυτών. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι οπάλων: άμεσο και αντίστροφο οπάλιο. Η μετάβαση από το άμεσο οπάλιο στο αντίστροφο οπάλιο πραγματοποιείται με την αντικατάσταση όλων των σφαιρικών στοιχείων με κοιλότητες (συνήθως αέρα), ενώ ο χώρος μεταξύ αυτών των κοιλοτήτων γεμίζει με κάποιο υλικό.

Παρακάτω είναι η επιφάνεια του Η/Υ, που είναι ένα ίσιο οπάλιο με κυβικό πλέγμα που βασίζεται σε αυτοοργανωμένα σφαιρικά μικροσωματίδια πολυστυρενίου.

Η εσωτερική επιφάνεια ενός Η/Υ με κυβικό πλέγμα που βασίζεται σε αυτοοργανωμένα σφαιρικά μικροσωματίδια πολυστυρενίου.

Η ακόλουθη δομή είναι ένα αντίστροφο οπάλιο που συντίθεται ως αποτέλεσμα μιας χημικής διαδικασίας πολλαπλών σταδίων: αυτοσυναρμολόγηση σφαιρικών σωματιδίων πολυμερούς, εμποτισμός των κενών του προκύπτοντος υλικού με μια ουσία και αφαίρεση της πολυμερούς μήτρας με χημική χάραξη.

Επιφάνεια από χαλαζία αντίστροφο οπάλιο. Η φωτογραφία λήφθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης.

Ένας άλλος τύπος τρισδιάστατων υπολογιστών είναι οι δομές τύπου logpiles που σχηματίζονται από ορθογώνια παραλληλεπίπεδα που διασχίζονται, συνήθως σε ορθή γωνία.

Ηλεκτρονική φωτογραφία FC από μεταλλικά παραλληλεπίπεδα.

Μέθοδοι παραγωγής

Η χρήση των FC στην πράξη περιορίζεται σημαντικά από την έλλειψη καθολικών και απλών μεθόδων για την παραγωγή τους. Σήμερα, έχουν εφαρμοστεί αρκετές προσεγγίσεις για τη δημιουργία FC. Οι δύο κύριες προσεγγίσεις περιγράφονται παρακάτω.

Η πρώτη από αυτές είναι η λεγόμενη μέθοδος αυτοοργάνωσης ή αυτοσυναρμολόγησης. Η αυτοσυναρμολόγηση ενός φωτονικού κρυστάλλου χρησιμοποιεί κολλοειδή σωματίδια (τα πιο συνηθισμένα είναι τα μονοδιεσπαρμένα σωματίδια πυριτίου ή πολυστυρενίου) που βρίσκονται σε ένα υγρό και, καθώς το υγρό εξατμίζεται, κατακάθονται στον όγκο. Καθώς «αποτίθενται» το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζουν ένα τρισδιάστατο Η/Υ και ταξινομούνται, ανάλογα με τις συνθήκες, σε ένα προσωποκεντρικό κυβικό ή εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτή η μέθοδος είναι αρκετά αργή ο σχηματισμός FC μπορεί να διαρκέσει αρκετές εβδομάδες. Στα μειονεκτήματά του περιλαμβάνονται επίσης το ανεπαρκώς ελεγχόμενο ποσοστό ελαττωμάτων που εμφανίζονται κατά τη διαδικασία εναπόθεσης.

Μία από τις ποικιλίες της μεθόδου αυτοσυναρμολόγησης είναι η λεγόμενη μέθοδος κηρήθρας. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει το φιλτράρισμα ενός υγρού που περιέχει σωματίδια μέσω μικρών πόρων και επιτρέπει τον σχηματισμό υπολογιστών με ταχύτητα που καθορίζεται από την ταχύτητα ροής του υγρού μέσω αυτών των πόρων. Σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο εναπόθεσης, αυτή η μέθοδος είναι πολύ πιο γρήγορη, ωστόσο, το ποσοστό των ελαττωμάτων κατά τη χρήση της είναι υψηλότερο.

Τα πλεονεκτήματα των περιγραφόμενων μεθόδων περιλαμβάνουν το γεγονός ότι επιτρέπουν το σχηματισμό δειγμάτων Η/Υ μεγάλου μεγέθους (έως αρκετά τετραγωνικά εκατοστά σε εμβαδόν).

Η δεύτερη πιο δημοφιλής μέθοδος για την παραγωγή Η/Υ είναι η μέθοδος χάραξης. Διάφορες μέθοδοι χάραξης χρησιμοποιούνται συνήθως για την κατασκευή υπολογιστών 2D. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται στη χρήση μιας φωτοανθεκτικής μάσκας (η οποία ορίζει, για παράδειγμα, μια σειρά ημισφαιρίων) που σχηματίζεται στην επιφάνεια ενός διηλεκτρικού ή μετάλλου και καθορίζει τη γεωμετρία της περιοχής χάραξης. Αυτή η μάσκα μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας μια τυπική μέθοδο φωτολιθογραφίας, ακολουθούμενη απευθείας από χημική χάραξη της επιφάνειας του δείγματος με φωτοανθεκτικό. Σε αυτή την περίπτωση, αντίστοιχα, σε περιοχές όπου βρίσκεται το φωτοανθεκτικό, λαμβάνει χώρα χάραξη της επιφάνειας του φωτοανθεκτικού και σε περιοχές χωρίς φωτοανθεκτικό, πραγματοποιείται χάραξη του διηλεκτρικού ή του μετάλλου. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό βάθος χάραξης, μετά το οποίο ξεπλένεται το φωτοανθεκτικό.

Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η χρήση της διαδικασίας φωτολιθογραφίας, η καλύτερη χωρική ανάλυση της οποίας καθορίζεται από το κριτήριο Rayleigh. Επομένως, αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για τη δημιουργία υπολογιστών με διάκενο ζώνης, το οποίο συνήθως βρίσκεται στην περιοχή του φάσματος κοντά στο υπέρυθρο. Τις περισσότερες φορές, για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ανάλυση, χρησιμοποιείται συνδυασμός φωτολιθογραφίας και λιθογραφίας δέσμης ηλεκτρονίων. Αυτή η μέθοδος είναι μια δαπανηρή αλλά εξαιρετικά ακριβής μέθοδος για την παραγωγή οιονεί δισδιάστατων Η/Υ. Σε αυτή τη μέθοδο, ένα φωτοανθεκτικό, το οποίο αλλάζει τις ιδιότητές του όταν εκτίθεται σε δέσμη ηλεκτρονίων, ακτινοβολείται σε συγκεκριμένες θέσεις για να σχηματίσει μια χωρική μάσκα. Μετά την ακτινοβόληση, μέρος του φωτοανθεκτικού ξεπλένεται και το υπόλοιπο μέρος χρησιμοποιείται ως μάσκα για χάραξη στον επόμενο τεχνολογικό κύκλο. Η μέγιστη ανάλυση αυτής της μεθόδου είναι περίπου 10 nm.

Παραλληλισμοί ηλεκτροδυναμικής και κβαντικής μηχανικής

Οποιαδήποτε λύση στις εξισώσεις του Maxwell, στην περίπτωση των γραμμικών μέσων και απουσία ελεύθερων φορτίων και πηγών ρεύματος, μπορεί να αναπαρασταθεί ως υπέρθεση χρονικά-αρμονικών συναρτήσεων με σύνθετα πλάτη ανάλογα με τη συχνότητα: , όπου υπάρχει είτε , είτε .

Εφόσον τα πεδία είναι πραγματικά, τότε και μπορούν να γραφτούν ως υπέρθεση συναρτήσεων αρμονικών στο χρόνο με θετική συχνότητα:

Η εξέταση των αρμονικών συναρτήσεων μας επιτρέπει να προχωρήσουμε στη μορφή συχνότητας των εξισώσεων του Maxwell, η οποία δεν περιέχει χρονικές παραγώγους:

όπου η χρονική εξάρτηση των πεδίων που εμπλέκονται σε αυτές τις εξισώσεις παριστάνεται ως , . Υποθέτουμε ότι τα μέσα είναι ισότροπα και η μαγνητική διαπερατότητα είναι .

Εκφράζοντας ρητά το πεδίο, παίρνοντας τον ρότορα και από τις δύο πλευρές των εξισώσεων και αντικαθιστώντας τη δεύτερη εξίσωση στην πρώτη, λαμβάνουμε:

πού είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Με άλλα λόγια, έχουμε ένα πρόβλημα ιδιοτιμής:

για τον χειριστή

όπου η εξάρτηση καθορίζεται από την υπό εξέταση δομή.

Οι ιδιοσυναρτήσεις (modes) του προκύπτοντος τελεστή πρέπει να ικανοποιούν την προϋπόθεση

Βρίσκεται ως

Σε αυτή την περίπτωση, η συνθήκη πληρούται αυτόματα, αφού η απόκλιση του δρομέα είναι πάντα μηδέν.

Ο τελεστής είναι γραμμικός, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε γραμμικός συνδυασμός λύσεων στο πρόβλημα ιδιοτιμής με την ίδια συχνότητα θα είναι επίσης λύση. Μπορεί να φανεί ότι σε αυτή την περίπτωση ο τελεστής είναι Ερμιτικός, δηλαδή για οποιεσδήποτε διανυσματικές συναρτήσεις

όπου το κλιμακωτό γινόμενο ορίζεται ως

Εφόσον ο τελεστής είναι Ερμιτικός, προκύπτει ότι οι ιδιοτιμές του είναι πραγματικές. Μπορεί επίσης να φανεί ότι στο 0" align="absmiddle">, οι ιδιοτιμές είναι μη αρνητικές και επομένως οι συχνότητες είναι πραγματικές.

Το κλιμακωτό γινόμενο των ιδιοσυναρτήσεων που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συχνότητες είναι πάντα ίσο με μηδέν. Στην περίπτωση ίσων συχνοτήτων, αυτό δεν ισχύει απαραίτητα, αλλά μπορείτε πάντα να εργαστείτε μόνο με γραμμικούς συνδυασμούς τέτοιων ιδιοσυναρτήσεων που είναι ορθογώνιες μεταξύ τους. Επιπλέον, είναι πάντα δυνατό να κατασκευαστεί μια βάση από τις ιδιοσυναρτήσεις του Ερμιτιανού τελεστή ορθογώνιες μεταξύ τους.

Αν, αντίθετα, εκφράσουμε το πεδίο σε όρους , λαμβάνουμε ένα γενικευμένο πρόβλημα ιδιοτιμής:

στην οποία οι τελεστές είναι ήδη παρόντες και στις δύο πλευρές της εξίσωσης (και μετά τη διαίρεση με τον τελεστή στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης γίνεται μη ερμιτικός). Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτή η σύνθεση είναι πιο βολική.

Σημειώστε ότι κατά την αντικατάσταση ιδιοτιμών στην εξίσωση, η νέα λύση θα αντιστοιχεί στη συχνότητα . Αυτό το γεγονός ονομάζεται επεκτασιμότητα και έχει μεγάλη πρακτική σημασία. Η παραγωγή φωτονικών κρυστάλλων με χαρακτηριστικές διαστάσεις της τάξης των μικρών είναι τεχνικά δύσκολη. Ωστόσο, για λόγους δοκιμής, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα μοντέλο φωτονικού κρυστάλλου με περίοδο και μέγεθος στοιχείου της τάξης ενός εκατοστού, το οποίο θα λειτουργούσε σε λειτουργία εκατοστών (στην περίπτωση αυτή, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν υλικά που θα έχουν περίπου την ίδια διηλεκτρική σταθερά με τα προσομοιωμένα υλικά στο εύρος συχνοτήτων εκατοστών).

Ας κάνουμε μια αναλογία μεταξύ της θεωρίας που περιγράφηκε παραπάνω και της κβαντικής μηχανικής. Στην κβαντομηχανική, θεωρούμε μια βαθμωτή κυματοσυνάρτηση που παίρνει μιγαδικές τιμές. Στην ηλεκτροδυναμική είναι διανυσματικό και η σύνθετη εξάρτηση εισάγεται μόνο για ευκολία. Συνέπεια αυτού του γεγονότος, ειδικότερα, είναι ότι οι δομές ζώνης για τα φωτόνια σε έναν φωτονικό κρύσταλλο θα είναι διαφορετικές για κύματα με διαφορετικές πολώσεις, σε αντίθεση με τις δομές ζώνης για τα ηλεκτρόνια.

Τόσο στην κβαντική μηχανική όσο και στην ηλεκτροδυναμική, λύνεται το πρόβλημα των ιδιοτιμών του Ερμιτιανό τελεστή. Στην κβαντομηχανική, οι ερμητικοί τελεστές αντιστοιχούν σε παρατηρήσιμα μεγέθη.

Και τέλος, στην κβαντομηχανική, εάν ο τελεστής παριστάνεται ως άθροισμα, η λύση της εξίσωσης ιδιοτιμής μπορεί να γραφτεί ως , δηλαδή, το πρόβλημα χωρίζεται σε τρία μονοδιάστατα. Στην ηλεκτροδυναμική αυτό είναι αδύνατο, αφού ο χειριστής «συνδέει» και τις τρεις συντεταγμένες, ακόμα κι αν είναι διαχωρισμένες. Για το λόγο αυτό, στην ηλεκτροδυναμική, αναλυτικές λύσεις είναι διαθέσιμες μόνο για πολύ περιορισμένο αριθμό προβλημάτων. Συγκεκριμένα, ακριβείς αναλυτικές λύσεις για το φάσμα ζώνης των Η/Υ βρίσκονται κυρίως για μονοδιάστατους Η/Υ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αριθμητική μοντελοποίηση παίζει σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό των ιδιοτήτων των φωτονικών κρυστάλλων.

Δομή ζώνης

Ένας φωτονικός κρύσταλλος χαρακτηρίζεται από την περιοδικότητα της συνάρτησης:

Ένα διάνυσμα αυθαίρετης μετάφρασης, που μπορεί να αναπαρασταθεί ως

όπου είναι πρωτόγονα διανύσματα μετάφρασης και είναι ακέραιοι.

Σύμφωνα με το θεώρημα του Bloch, οι ιδιοσυναρτήσεις ενός τελεστή μπορούν να επιλεγούν έτσι ώστε να έχουν το σχήμα ενός επίπεδου κύματος πολλαπλασιασμένο με μια συνάρτηση με την ίδια περιοδικότητα με το FC:

όπου είναι μια περιοδική συνάρτηση. Σε αυτήν την περίπτωση, οι τιμές μπορούν να επιλεγούν με τέτοιο τρόπο ώστε να ανήκουν στην πρώτη ζώνη Brillouin.

Αντικαθιστώντας αυτήν την έκφραση στο διατυπωμένο πρόβλημα ιδιοτιμής, λαμβάνουμε την εξίσωση ιδιοτιμής

Οι ιδιοσυναρτήσεις πρέπει να είναι περιοδικές και να ικανοποιούν την προϋπόθεση.

Μπορεί να φανεί ότι κάθε διανυσματική τιμή αντιστοιχεί σε ένα άπειρο σύνολο τρόπων με ένα διακριτό σύνολο συχνοτήτων, τις οποίες θα αριθμήσουμε σε αύξουσα σειρά με τον δείκτη . Εφόσον ο χειριστής εξαρτάται συνεχώς από το , η συχνότητα σε ένα σταθερό δείκτη εξαρτάται επίσης συνεχώς. Το σύνολο των συνεχών λειτουργιών αποτελεί τη δομή ζώνης του Η/Υ. Η μελέτη της δομής ζώνης ενός υπολογιστή επιτρέπει σε κάποιον να λάβει πληροφορίες σχετικά με τις οπτικές του ιδιότητες. Η παρουσία οποιασδήποτε πρόσθετης συμμετρίας στο FC μας επιτρέπει να περιοριστούμε σε μια συγκεκριμένη υποπεριοχή της ζώνης Brillouin, που ονομάζεται μη αναγώγιμη. Οι λύσεις για το , που ανήκουν σε αυτή τη μη αναγώγιμη ζώνη, αναπαράγουν λύσεις για ολόκληρη τη ζώνη Brillouin.

Αριστερά: Ένας δισδιάστατος φωτονικός κρύσταλλος που αποτελείται από κυλίνδρους συσκευασμένους σε ένα τετράγωνο πλέγμα. Δεξιά: Πρώτη ζώνη Brillouin που αντιστοιχεί σε τετράγωνο πλέγμα. Το μπλε τρίγωνο αντιστοιχεί στη μη αναγώγιμη ζώνη Brillouin. σολ, ΜΚαι Χ- σημεία υψηλής συμμετρίας για τετράγωνο πλέγμα.

Τα διαστήματα συχνότητας στα οποία κανένας τρόπος λειτουργίας δεν αντιστοιχεί σε καμία πραγματική τιμή του διανύσματος κύματος ονομάζονται κενά ζώνης. Το πλάτος τέτοιων ζωνών αυξάνεται με την αυξανόμενη αντίθεση της διηλεκτρικής σταθεράς στον φωτονικό κρύσταλλο (ο λόγος των διηλεκτρικών σταθερών των συστατικών στοιχείων του φωτονικού κρυστάλλου). Εάν ακτινοβολία με συχνότητα που βρίσκεται μέσα στο διάκενο ζώνης δημιουργείται μέσα σε έναν τέτοιο φωτονικό κρύσταλλο, δεν μπορεί να διαδοθεί σε αυτόν (αντιστοιχεί στη μιγαδική τιμή του διανύσματος κύματος). Το πλάτος ενός τέτοιου κύματος θα διασπαστεί εκθετικά μέσα στον κρύσταλλο (παροδικό κύμα). Αυτή είναι η βάση για μια από τις ιδιότητες ενός φωτονικού κρυστάλλου: την ικανότητα να ελέγχει την αυθόρμητη εκπομπή (ιδιαίτερα, την καταστολή της). Εάν μια τέτοια ακτινοβολία πέσει στον φωτονικό κρύσταλλο από έξω, τότε ανακλάται πλήρως από τον φωτονικό κρύσταλλο. Αυτό το φαινόμενο αποτελεί τη βάση για τη χρήση φωτονικών κρυστάλλων για ανακλαστικά φίλτρα, καθώς και συντονιστών και κυματοδηγών με τοιχώματα υψηλής ανακλαστικότητας.

Κατά κανόνα, οι λειτουργίες χαμηλής συχνότητας συγκεντρώνονται κυρίως σε στρώματα με υψηλή διηλεκτρική σταθερά, ενώ οι λειτουργίες υψηλής συχνότητας συγκεντρώνονται κυρίως σε στρώματα με χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά. Ως εκ τούτου, η πρώτη ζώνη ονομάζεται συχνά διηλεκτρική και η επόμενη μετά από αυτήν - αέρας.

Δομή ζώνης ενός μονοδιάστατου Η/Υ, που αντιστοιχεί σε διάδοση κύματος κάθετα στα στρώματα. Και στις τρεις περιπτώσεις, κάθε στρώμα έχει πάχος 0,5 ένα, Οπου ένα- FC περίοδος. Αριστερά: Κάθε στρώμα έχει την ίδια διηλεκτρική σταθερά ε = 13. Κέντρο: η διηλεκτρική σταθερά εναλλασσόμενων στρωμάτων έχει τιμές ε = 12 και ε = 13. Δεξιά: ε = 1 και ε = 13.

Στην περίπτωση ενός Η/Υ με διάσταση μικρότερη από τρεις, δεν υπάρχουν πλήρη κενά ζώνης για όλες τις κατευθύνσεις, γεγονός που είναι συνέπεια της παρουσίας μιας ή δύο κατευθύνσεων κατά μήκος των οποίων ο Η/Υ είναι ομοιογενής. Διαισθητικά, αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι κατά μήκος αυτών των κατευθύνσεων το κύμα δεν βιώνει πολλαπλές ανακλάσεις που απαιτούνται για το σχηματισμό χάσματος ζώνης.

Παρόλα αυτά, είναι δυνατή η δημιουργία μονοδιάστατων υπολογιστών που θα αντανακλούν τα κύματα που προσπίπτουν στον υπολογιστή σε οποιαδήποτε γωνία.

Δομή ζώνης μονοδιάστατου Η/Υ με τελεία ένα, στην οποία το πάχος των εναλλασσόμενων στρωμάτων είναι 0,2 ένακαι 0,8 ένα, και οι διηλεκτρικές τους σταθερές είναι ε = 13 και ε = 1 αντίστοιχα. Το αριστερό μέρος του σχήματος αντιστοιχεί στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος κάθετα στα στρώματα (0, 0, κ z), και το σωστό - προς την κατεύθυνση κατά μήκος των στρωμάτων (0, κ y, 0). Η απαγορευμένη ζώνη υπάρχει μόνο για την κατεύθυνση κάθετη στα στρώματα. Σημειώστε ότι όταν κ y > 0, ο εκφυλισμός αφαιρείται για δύο διαφορετικές πολώσεις.

Παρακάτω είναι η δομή ζώνης ενός Η/Υ που έχει τη γεωμετρία ενός οπάλιο. Μπορεί να φανεί ότι αυτός ο υπολογιστής έχει ένα πλήρες διάκενο ζώνης σε μήκος κύματος περίπου 1,5 μm και μία ζώνη διακοπής, με μέγιστη ανάκλαση σε μήκος κύματος 2,5 μm. Με την αλλαγή του χρόνου χάραξης της μήτρας πυριτίου σε ένα από τα στάδια της παραγωγής αντίστροφου οπαλίου και συνεπώς μεταβάλλοντας τη διάμετρο των σφαιρών, είναι δυνατό να επιτευχθεί εντοπισμός του διακένου ζώνης σε ένα συγκεκριμένο εύρος μήκους κύματος. Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι μια δομή με παρόμοια χαρακτηριστικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τεχνολογίες τηλεπικοινωνιών. Η ακτινοβολία στη συχνότητα bandgap μπορεί να εντοπιστεί μέσα στον τόμο του υπολογιστή και όταν παρέχεται το απαραίτητο κανάλι, μπορεί να διαδοθεί σχεδόν χωρίς απώλεια. Ένα τέτοιο κανάλι μπορεί να σχηματιστεί, για παράδειγμα, αφαιρώντας στοιχεία ενός φωτονικού κρυστάλλου κατά μήκος μιας συγκεκριμένης γραμμής. Όταν το κανάλι είναι λυγισμένο, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα θα αλλάξει επίσης την κατεύθυνση της κίνησης, επαναλαμβάνοντας το σχήμα του καναλιού. Έτσι, ένας τέτοιος υπολογιστής υποτίθεται ότι χρησιμοποιείται ως μονάδα μετάδοσης μεταξύ της συσκευής εκπομπής και του οπτικού μικροτσίπ που επεξεργάζεται το σήμα.

Σύγκριση του φάσματος ανάκλασης στην κατεύθυνση GL, που μετρήθηκε πειραματικά, και της δομής της ζώνης που υπολογίστηκε με τη μέθοδο διαστολής επίπεδου κύματος για οπάλιο αντίστροφου πυριτίου (Si) με ένα κεντραρισμένο κυβικό πλέγμα (η πρώτη ζώνη Brillouin φαίνεται στο ένθετο). Κλάσμα όγκου πυριτίου 22%. Περίοδος τριψίματος 1,23 μm

Στην περίπτωση των μονοδιάστατων υπολογιστών, ακόμη και η μικρότερη αντίθεση διηλεκτρικής σταθεράς αρκεί για να σχηματίσει ένα διάκενο ζώνης. Φαίνεται ότι για τρισδιάστατους διηλεκτρικούς υπολογιστές μπορεί κανείς να συναγάγει ένα παρόμοιο συμπέρασμα: να υποθέσει την παρουσία ενός πλήρους κενού ζώνης για όσο μικρή κι αν είναι η αντίθεση της διηλεκτρικής σταθεράς στην περίπτωση που στο όριο της ζώνης Brillouin το διάνυσμα έχει πανομοιότυπα συντελεστές προς όλες τις κατευθύνσεις (που αντιστοιχεί σε μια σφαιρική ζώνη Brillouin). Ωστόσο, τρισδιάστατοι κρύσταλλοι με σφαιρική ζώνη Brillouin δεν υπάρχουν στη φύση. Κατά κανόνα, έχει ένα αρκετά περίπλοκο πολυγωνικό σχήμα. Έτσι, αποδεικνύεται ότι κενά ζώνης σε διαφορετικές κατευθύνσεις υπάρχουν σε διαφορετικές συχνότητες. Μόνο εάν η διηλεκτρική αντίθεση είναι αρκετά μεγάλη, μπορούν να σταματήσουν οι ζώνες σε διαφορετικές κατευθύνσεις να επικαλύπτονται και να σχηματίσουν ένα πλήρες διάκενο ζώνης προς όλες τις κατευθύνσεις. Το πλησιέστερο σε σφαιρικό (και επομένως πιο ανεξάρτητο από την κατεύθυνση του διανύσματος Bloch) είναι η πρώτη ζώνη Brillouin των κεντροκεντρικών κυβικών (FCC) και διαμαντένιων δικτυωμάτων, καθιστώντας τους τρισδιάστατους υπολογιστές με τέτοια δομή πιο κατάλληλους για το σχηματισμό ενός συνόλου χάσμα ζώνης στο φάσμα. Ταυτόχρονα, για την εμφάνιση πλήρων χασμάτων ζώνης στα φάσματα τέτοιων Η/Υ απαιτείται μεγάλη διηλεκτρική σταθερά αντίθεση. Εάν υποδηλώσουμε το σχετικό πλάτος σχισμής ως , τότε για να επιτευχθούν τιμές 5\%" align="absmiddle"> απαιτείται αντίθεση για τα πλέγματα διαμαντιού και fcc, αντίστοιχα. Για να χρησιμοποιηθούν κενά ζώνης σε φάσματα φωτονικών κρυστάλλων σε διάφορες εφαρμογές, είναι απαραίτητο να μπορούμε να κάνουμε το χάσμα ζώνης αρκετά ευρύ, έχοντας κατά νου ότι όλοι οι υπολογιστές που λαμβάνονται σε πειράματα είναι ατελείς και τα ελαττώματα στη δομή μπορούν να μειώσουν σημαντικά το χάσμα ζώνης.

Η πρώτη ζώνη Brillouin ενός κυβικού πλέγματος με επίκεντρο την όψη και σημεία υψηλής συμμετρίας.

Συμπερασματικά, ας σημειώσουμε για άλλη μια φορά την ομοιότητα των οπτικών ιδιοτήτων των Η/Υ με τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων στην κβαντομηχανική όταν εξετάζουμε τη δομή ζώνης ενός στερεού. Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική διαφορά μεταξύ φωτονίων και ηλεκτρονίων: τα ηλεκτρόνια έχουν ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Επομένως, τα «ηλεκτρονικά» προβλήματα, κατά κανόνα, απαιτούν να ληφθούν υπόψη τα φαινόμενα πολυηλεκτρονίων, τα οποία αυξάνουν σημαντικά τη διάσταση του προβλήματος, γεγονός που συχνά επιβάλλει τη χρήση ανεπαρκώς ακριβών προσεγγίσεων, ενώ σε έναν υπολογιστή που αποτελείται από στοιχεία με αμελητέα μη γραμμική οπτική απόκριση , απουσιάζει αυτή η δυσκολία.

Μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση στη σύγχρονη οπτική είναι ο έλεγχος της ακτινοβολίας με χρήση φωτονικών κρυστάλλων. Συγκεκριμένα, η Sandia Labs διερευνά φωτονικούς κρυστάλλους λογαριασμών για να επιτύχει υψηλή επιλεκτικότητα εκπομπής στην περιοχή εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας μεταλλικών φωτονικών κρυστάλλων ενώ ταυτόχρονα καταστέλλει έντονα την εκπομπή στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου (<20мкм). В этих работах было показано, что для таких ФК излучение в среднем ИК диапазоне сильно подавлено из-за наличия в спектре ФК полной фотонной щели. Однако качество полной фотонной щели падает с ростом температуры из-за увеличения поглощения в вольфраме, что приводит к низкой селективности излучения при высоких температурах.

Σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff για την ακτινοβολία σε θερμική ισορροπία, η εκπομπή ενός γκρίζου σώματος (ή επιφάνειας) είναι ανάλογη με την απορροφητικότητά του. Επομένως, για να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με την ικανότητα εκπομπής μεταλλικών υπολογιστών, μπορούν να μελετηθούν τα φάσματα απορρόφησής τους. Για να επιτευχθεί υψηλή επιλεκτικότητα μιας δομής εκπομπής στο ορατό εύρος (nm) που περιέχει PC, είναι απαραίτητο να επιλέξετε συνθήκες υπό τις οποίες η απορρόφηση στο ορατό εύρος είναι υψηλή και στο IR καταστέλλεται.

Στις εργασίες μας http, αναλύσαμε λεπτομερώς την αλλαγή στο φάσμα απορρόφησης ενός φωτονικού κρυστάλλου με στοιχεία βολφραμίου και με γεωμετρία οπάλιο όταν αλλάζουν όλες οι γεωμετρικές παράμετροι: η περίοδος του πλέγματος, το μέγεθος των στοιχείων βολφραμίου, ο αριθμός των στρωμάτων στο δείγμα φωτονικών κρυστάλλων. Πραγματοποιήθηκε επίσης ανάλυση της επίδρασης στο φάσμα απορρόφησης των ελαττωμάτων στον φωτονικό κρύσταλλο που προκύπτουν κατά την κατασκευή του.

Την τελευταία δεκαετία, η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής έχει επιβραδυνθεί, καθώς τα όρια ταχύτητας των τυπικών συσκευών ημιαγωγών έχουν σχεδόν φτάσει. Ένας αυξανόμενος αριθμός μελετών αφιερώνεται στην ανάπτυξη εναλλακτικών περιοχών στα ηλεκτρονικά ημιαγωγών - αυτές είναι η σπιντρονική, η μικροηλεκτρονική με υπεραγώγιμα στοιχεία, η φωτονική και ορισμένες άλλες.

Η νέα αρχή της μετάδοσης και επεξεργασίας πληροφοριών με χρήση φωτός και όχι ηλεκτρικών σημάτων μπορεί να επιταχύνει την έναρξη ενός νέου σταδίου της εποχής της πληροφορίας.

Από απλούς κρυστάλλους μέχρι φωτονικούς

Η βάση των ηλεκτρονικών συσκευών του μέλλοντος μπορεί να είναι φωτονικοί κρύσταλλοι - πρόκειται για συνθετικά διατεταγμένα υλικά στα οποία η διηλεκτρική σταθερά αλλάζει περιοδικά εντός της δομής. Στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός παραδοσιακού ημιαγωγού, η κανονικότητα και η περιοδικότητα της διάταξης των ατόμων οδηγεί στο σχηματισμό μιας λεγόμενης δομής ενέργειας ζώνης - με επιτρεπόμενες και απαγορευμένες ζώνες. Ένα ηλεκτρόνιο του οποίου η ενέργεια εμπίπτει στην επιτρεπόμενη ζώνη μπορεί να κινηθεί γύρω από τον κρύσταλλο, αλλά ένα ηλεκτρόνιο με ενέργεια στο διάκενο ζώνης «κλειδώνεται».

Κατ' αναλογία με έναν συνηθισμένο κρύσταλλο, προέκυψε η ιδέα ενός φωτονικού κρυστάλλου. Σε αυτό, η περιοδικότητα της διηλεκτρικής σταθεράς προκαλεί την εμφάνιση φωτονικών ζωνών, ειδικότερα, της απαγορευμένης ζώνης, εντός της οποίας καταστέλλεται η διάδοση του φωτός με ένα ορισμένο μήκος κύματος. Δηλαδή, όντας διαφανείς σε ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, οι φωτονικοί κρύσταλλοι δεν μεταδίδουν φως με επιλεγμένο μήκος κύματος (ίσο με το διπλάσιο της περιόδου της δομής κατά το μήκος της οπτικής διαδρομής).

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι μπορούν να έχουν διαφορετικές διαστάσεις. Οι μονοδιάστατοι (1D) κρύσταλλοι είναι μια πολυστρωματική δομή εναλλασσόμενων στρωμάτων με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Οι δισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι (2D) μπορούν να αναπαρασταθούν ως μια περιοδική δομή ράβδων με διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές. Τα πρώτα συνθετικά πρωτότυπα φωτονικών κρυστάλλων ήταν τρισδιάστατα και δημιουργήθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1990 από υπαλλήλους του ερευνητικού κέντρου Bell Labs(ΗΠΑ). Για να αποκτήσουν ένα περιοδικό πλέγμα σε ένα διηλεκτρικό υλικό, Αμερικανοί επιστήμονες άνοιξαν κυλινδρικές τρύπες με τέτοιο τρόπο ώστε να αποκτήσουν ένα τρισδιάστατο δίκτυο κενών. Για να γίνει το υλικό φωτονικός κρύσταλλος, η διηλεκτρική του σταθερά διαμορφώθηκε με περίοδο 1 εκατοστού και στις τρεις διαστάσεις.

Φυσικά ανάλογα των φωτονικών κρυστάλλων είναι οι φίλντισι επικαλύψεις των οστράκων (1D), οι κεραίες ενός ποντικιού της θάλασσας, ενός σκουληκιού πολυχαίτη (2D), τα φτερά μιας αφρικανικής πεταλούδας και ημιπολύτιμοι λίθοι, όπως το οπάλιο ( 3D).

Αλλά ακόμη και σήμερα, ακόμη και χρησιμοποιώντας τις πιο σύγχρονες και ακριβές μεθόδους ηλεκτρονικής λιθογραφίας και χάραξης ανισότροπων ιόντων, είναι δύσκολο να παραχθούν τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι χωρίς ελαττώματα με πάχος άνω των 10 δομικών κυττάρων.

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι θα πρέπει να βρουν ευρεία εφαρμογή στις φωτονικές ολοκληρωμένες τεχνολογίες, οι οποίες στο μέλλον θα αντικαταστήσουν τα ηλεκτρικά ολοκληρωμένα κυκλώματα στους υπολογιστές. Κατά τη μετάδοση πληροφοριών με χρήση φωτονίων αντί ηλεκτρονίων, η κατανάλωση ενέργειας θα μειωθεί απότομα, οι συχνότητες ρολογιού και η ταχύτητα μεταφοράς πληροφοριών θα αυξηθούν.

Φωτονικός κρύσταλλος οξειδίου του τιτανίου

Το οξείδιο του τιτανίου TiO 2 έχει ένα σύνολο μοναδικών χαρακτηριστικών, όπως υψηλό δείκτη διάθλασης, χημική σταθερότητα και χαμηλή τοξικότητα, γεγονός που το καθιστά το πιο πολλά υποσχόμενο υλικό για τη δημιουργία μονοδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων. Αν λάβουμε υπόψη τους φωτονικούς κρυστάλλους για τα ηλιακά κύτταρα, το οξείδιο του τιτανίου κερδίζει εδώ λόγω των ημιαγωγικών ιδιοτήτων του. Προηγουμένως, μια αύξηση στην απόδοση των ηλιακών κυψελών είχε αποδειχθεί όταν χρησιμοποιήθηκε ένα στρώμα ημιαγωγών με μια περιοδική δομή φωτονικών κρυστάλλων, συμπεριλαμβανομένων των φωτονικών κρυστάλλων οξειδίου του τιτανίου.

Αλλά μέχρι στιγμής, η χρήση φωτονικών κρυστάλλων με βάση το διοξείδιο του τιτανίου περιορίζεται από την έλλειψη αναπαραγώγιμης και φθηνής τεχνολογίας για τη δημιουργία τους.

Οι υπάλληλοι της Σχολής Χημείας και της Σχολής Επιστημών Υλικών του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας - Nina Sapoletova, Sergei Kushnir και Kirill Napolsky - βελτίωσαν τη σύνθεση μονοδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων που βασίζονται σε πορώδη φιλμ οξειδίου του τιτανίου.

«Η ανοδίωση (ηλεκτροχημική οξείδωση) των μετάλλων των βαλβίδων, συμπεριλαμβανομένου του αλουμινίου και του τιτανίου, είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή μεμβρανών πορώδους οξειδίου με κανάλια μεγέθους νανομέτρων», εξήγησε ο Kirill Napolsky, επικεφαλής της ομάδας ηλεκτροχημικών νανοδομών, Υποψήφιος Χημικών Επιστημών.

Η ανοδίωση πραγματοποιείται συνήθως σε ηλεκτροχημική κυψέλη δύο ηλεκτροδίων. Δύο μεταλλικές πλάκες, η κάθοδος και η άνοδος, χαμηλώνονται στο διάλυμα ηλεκτρολύτη και εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση. Στην κάθοδο απελευθερώνεται υδρογόνο και στην άνοδο λαμβάνει χώρα ηλεκτροχημική οξείδωση του μετάλλου. Εάν η τάση που εφαρμόζεται στο στοιχείο αλλάζει περιοδικά, σχηματίζεται ένα πορώδες φιλμ με πορώδες δεδομένου πάχους στην άνοδο.

Ο αποτελεσματικός δείκτης διάθλασης θα διαμορφωθεί εάν η διάμετρος των πόρων αλλάζει περιοδικά εντός της δομής. Οι τεχνικές ανοδίωσης τιτανίου που είχαν αναπτυχθεί προηγουμένως δεν κατέστησαν δυνατή την απόκτηση υλικών με υψηλό βαθμό περιοδικής δομής. Χημικοί από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο ανοδίωσης μετάλλου με διαμόρφωση τάσης ανάλογα με το φορτίο ανοδίωσης, η οποία καθιστά δυνατή τη δημιουργία πορωδών ανοδικών μεταλλικών οξειδίων με υψηλή ακρίβεια. Οι χημικοί απέδειξαν τις δυνατότητες της νέας τεχνικής χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μονοδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων κατασκευασμένων από ανοδικό οξείδιο του τιτανίου.

Ως αποτέλεσμα της αλλαγής της τάσης ανοδίωσης σύμφωνα με έναν ημιτονοειδές νόμο στην περιοχή των 40–60 Volt, οι επιστήμονες έλαβαν ανοδικούς νανοσωλήνες οξειδίου του τιτανίου με σταθερή εξωτερική διάμετρο και περιοδικά μεταβαλλόμενη εσωτερική διάμετρο (βλ. σχήμα).

«Οι προηγούμενες τεχνικές ανοδίωσης δεν επέτρεψαν τη λήψη υλικών με υψηλό βαθμό περιοδικής δομής. Έχουμε αναπτύξει μια νέα τεχνική, το βασικό συστατικό της οποίας είναι επί τόπου(απευθείας κατά τη σύνθεση) μέτρηση του φορτίου ανοδίωσης, που καθιστά δυνατό τον ακριβή έλεγχο του πάχους των στρωμάτων με διαφορετικά πορώδες στο σχηματιζόμενο φιλμ οξειδίου», εξήγησε ένας από τους συγγραφείς της εργασίας, υποψήφιος χημικών επιστημών Sergei Kushnir.

Η τεχνική που αναπτύχθηκε θα απλοποιήσει τη δημιουργία νέων υλικών με διαμορφωμένη δομή που βασίζεται σε ανοδικά οξείδια μετάλλων. «Αν θεωρήσουμε τη χρήση φωτονικών κρυστάλλων από ανοδικό οξείδιο του τιτανίου σε ηλιακά κύτταρα ως πρακτική χρήση της τεχνικής, τότε μια συστηματική μελέτη της επίδρασης των δομικών παραμέτρων τέτοιων φωτονικών κρυστάλλων στην αποτελεσματικότητα της μετατροπής φωτός στα ηλιακά κύτταρα έχει δεν έχει ακόμη εκτελεστεί», διευκρίνισε ο Σεργκέι Κούσνιρ.