L'idea della fotonica delle strutture su scala nanometrica e dei cristalli fotonici è nata analizzando la possibilità di creare una struttura a banda ottica. Si è ipotizzato che nella struttura a bande ottiche, come nella struttura a bande dei semiconduttori, dovessero esserci stati consentiti e proibiti per fotoni con energie diverse. Teoricamente, è stato proposto un modello del mezzo in cui le variazioni periodiche della costante dielettrica o dell'indice di rifrazione del mezzo venivano utilizzate come potenziale reticolare periodico. Pertanto, sono stati introdotti i concetti di “gap di banda fotonico” in un “cristallo fotonico”.

Cristallo fotonicoè un superreticolo in cui un campo è creato artificialmente e il suo periodo è di ordini di grandezza maggiore del periodo del reticolo principale. Un cristallo fotonico è un dielettrico traslucido con una struttura periodica specifica e proprietà ottiche uniche.

Una struttura periodica è formata da minuscoli fori che modificano periodicamente la costante dielettrica r. Il diametro di questi fori è tale che le onde luminose di una lunghezza strettamente definita li attraversano. Tutte le altre onde vengono assorbite o riflesse.

Si formano zone fotoniche in cui la velocità di fase della propagazione della luce dipende da e. Nel cristallo la luce si propaga in modo coerente e compaiono frequenze proibite, a seconda della direzione di propagazione. La diffrazione di Bragg per i cristalli fotonici avviene nell'intervallo di lunghezze d'onda ottiche.

Tali cristalli sono chiamati materiali con bandgap fotonico (PBGB). Dal punto di vista dell’elettronica quantistica, la legge di Einstein sull’emissione stimolata non è valida in mezzi così attivi. Secondo questa legge, i tassi di emissione e assorbimento indotti sono uguali e sono la somma di quelli eccitati N2 e poco eccitato

di atomi JV è A, + N., = N. Quindi o il 50%.

Nei cristalli fotonici è possibile un'inversione di popolazione del livello 100%. Ciò consente di ridurre la potenza della pompa e ridurre il riscaldamento non necessario del cristallo.

Se un cristallo viene esposto alle onde sonore, la lunghezza dell'onda luminosa e la direzione del movimento dell'onda luminosa, caratteristica del cristallo, possono cambiare. Una proprietà distintiva dei cristalli fotonici è la proporzionalità del coefficiente di riflessione R luce nella parte ad onda lunga dello spettro alla sua frequenza al quadrato di 2, e non come per lo scattering di Rayleigh R~ con 4 . La componente a onde corte dello spettro ottico è descritta dalle leggi dell'ottica geometrica.

Quando si creano industrialmente cristalli fotonici, è necessario trovare una tecnologia per creare superreticoli tridimensionali. Questo è un compito molto difficile, poiché le tecniche di replica standard che utilizzano metodi litografici sono inaccettabili per la creazione di nanostrutture 3D.

L'attenzione dei ricercatori è stata attratta dal nobile opale (Fig. 2.23). Questo minerale è Si() 2? N 1.0 sottoclasse di idrossidi. Negli opali naturali, i vuoti dei globuli sono riempiti con silice e acqua molecolare. Dal punto di vista della nanoelettronica, gli opali sono nanosfere (globuli) di silice densamente imballate (principalmente secondo la legge cubica). Di norma, il diametro delle nanosfere è compreso tra 200 e 600 nm. L'impaccamento dei globuli di silice forma un reticolo tridimensionale. Tali superreticoli contengono vuoti strutturali con dimensioni di 140-400 nm, che possono essere riempiti con materiali semiconduttori, otticamente attivi e magnetici. Nella struttura opale è possibile creare un reticolo tridimensionale con struttura su scala nanometrica. La struttura della matrice opale ottica può fungere da cristallo 3E)-fotonico.

È stata sviluppata la tecnologia del silicio macroporoso ossidato. Sulla base di questo processo tecnologico sono state create strutture tridimensionali sotto forma di perni di silice (Fig. 2.24).

In queste strutture sono state scoperte bande proibite fotoniche. I parametri dei band gap possono essere modificati nella fase dei processi litografici o riempiendo la struttura del perno con altri materiali.

Sono stati sviluppati vari progetti laser basati su cristalli fotonici. Un'altra classe di elementi ottici basati su cristalli fotonici sono fibre di cristalli fotonici(FKV). Loro hanno

Riso. 2.23. Struttura dell'opale sintetico (UN) e opali naturali (B)"

" Fonte: Gudilin E.A.[e altri]. La ricchezza del Nanomondo. Reportage fotografico dal profondo della materia; modificato da Yu.D. Tretyakova. M.: BINOM. Laboratorio della Conoscenza, 2010.

Riso. 2.24.

gap di banda in un dato intervallo di lunghezze d'onda. A differenza delle fibre ottiche convenzionali, le fibre con bandgap fotonico hanno la capacità di spostare la lunghezza d'onda a dispersione zero nella regione visibile dello spettro. In questo caso, vengono fornite le condizioni per le modalità solitoniche di propagazione della luce visibile.

Modificando la dimensione dei tubi dell'aria e, di conseguenza, la dimensione del nucleo, è possibile aumentare la concentrazione della potenza della radiazione luminosa e le proprietà non lineari delle fibre. Modificando la geometria delle fibre e del rivestimento, è possibile ottenere la combinazione ottimale di forte non linearità e bassa dispersione nell'intervallo di lunghezze d'onda desiderato.

Nella fig. 2.25 mostra l'FKV. Si dividono in due tipologie. Il primo tipo comprende FCF con un nucleo solido di guida luminosa. Strutturalmente, tale fibra è realizzata sotto forma di un nucleo di vetro di quarzo in un guscio di cristallo fotonico. Le proprietà ondulatorie di tali fibre sono fornite sia dall'effetto della riflessione interna totale che dalle proprietà di banda del cristallo fotonico. Pertanto, i modi di ordine basso si propagano in tali fibre su un ampio intervallo spettrale. Le modalità di ordine superiore si spostano nella shell e lì decadono. In questo caso, le proprietà della guida d'onda del cristallo per i modi di ordine zero sono determinate dall'effetto della riflessione interna totale. La struttura a bande di un cristallo fotonico appare solo indirettamente.

Il secondo grado di FKV ha un nucleo cavo di guida luminosa. La luce può propagarsi sia attraverso il nucleo della fibra che attraverso il rivestimento. Al centro

Riso. 2.25.

UN - sezione con un nucleo solido di guida luminosa;

6 - sezione trasversale con un nucleo cavo in fibra di guida luminosa, l'indice di rifrazione è inferiore all'indice di rifrazione medio del rivestimento. Ciò consente di aumentare significativamente la potenza della radiazione trasportata. Attualmente sono state create fibre che hanno una perdita di 0,58 dB/km per lunghezza d'onda X = 1,55 µm, che è vicino al valore di perdita della fibra monomodale standard (0,2 dB/km).

Tra gli altri vantaggi delle fibre a cristalli fotonici, notiamo quanto segue:

• modalità monomodale per tutte le lunghezze d'onda del progetto;
• ampia gamma di cambiamenti nel punto della modalità fondamentale;
• coefficiente di dispersione costante ed elevato per lunghezze d'onda 1,3-1,5 µm e dispersione zero per lunghezze d'onda nello spettro visibile;
• valori di polarizzazione controllati, dispersione della velocità di gruppo, spettro di trasmissione.

Le fibre con rivestimento di cristalli fotonici sono ampiamente utilizzate per risolvere problemi di ottica, fisica dei laser e soprattutto nei sistemi di telecomunicazioni. Recentemente, varie risonanze che si verificano nei cristalli fotonici hanno suscitato interesse. Gli effetti polaritoni nei cristalli fotonici si verificano durante l'interazione delle risonanze elettroniche e fotoniche. Quando si creano nanostrutture metallo-dielettriche con un periodo molto più breve della lunghezza d'onda ottica, è possibile realizzare una situazione in cui le condizioni r

Un prodotto molto significativo dello sviluppo della fotonica sono i sistemi in fibra ottica per le telecomunicazioni. Il loro funzionamento si basa sui processi di elettroconversione del segnale informativo, trasmissione di un segnale ottico modulato tramite una guida luminosa in fibra ottica e conversione ottico-elettronica inversa.

Non posso pretendere di giudicare i colori in modo imparziale. Mi rallegro delle tonalità scintillanti e rimpiango davvero i marroni radi. (Sir Winston Churchill).

Origine dei cristalli fotonici

Osservando le ali di una farfalla o il rivestimento in madreperla delle conchiglie (Figura 1), rimani stupito di come la Natura, anche nel corso di molte centinaia di migliaia o milioni di anni, sia stata in grado di creare biostrutture così sorprendenti. Tuttavia, non solo nel biomondo esistono strutture simili dai colori iridescenti, che sono un esempio delle possibilità creative quasi illimitate della Natura. Ad esempio, la pietra semipreziosa opale ha affascinato gli uomini fin dall'antichità con la sua brillantezza (Figura 2).

Oggi ogni studente della nona elementare sa che non solo i processi di assorbimento e riflessione della luce portano a quello che chiamiamo il colore del mondo, ma anche i processi di diffrazione e interferenza. I reticoli di diffrazione, che possiamo trovare in natura, sono strutture la cui costante dielettrica cambia periodicamente e il loro periodo è commisurato alla lunghezza d'onda della luce (Figura 3). Possono essere reticoli 1D, come nel rivestimento in madreperla delle conchiglie di molluschi come l'abalone, reticoli 2D, come le antenne del topo marino, del verme polichete e reticoli 3D, che conferiscono il colore blu iridescente alle farfalle del Perù , così come l'opale.

In questo caso la Natura, essendo senza dubbio il chimico dei materiali più esperto, ci spinge alla seguente soluzione: i reticoli di diffrazione ottica tridimensionale possono essere sintetizzati creando reticoli dielettrici geometricamente complementari tra loro, cioè uno è inverso all'altro. E poiché Jean-Marie Lehn ha pronunciato la famosa frase: “Se qualcosa esiste, allora può essere sintetizzato”, dobbiamo semplicemente mettere in pratica questa conclusione.

Semiconduttori fotonici e band gap fotonico

Quindi, in una formulazione semplice, un cristallo fotonico è un materiale la cui struttura è caratterizzata da un cambiamento periodico dell'indice di rifrazione nelle direzioni spaziali, che porta alla formazione di una banda proibita fotonica. In genere, per comprendere il significato dei termini “cristallo fotonico” e “gap di banda fotonico”, tale materiale è considerato un’analogia ottica con i semiconduttori. Risolvendo le equazioni di Maxwell per la propagazione della luce in un reticolo dielettrico si vede che, a causa della diffrazione di Bragg, la distribuzione di frequenza dei fotoni ω(k) in funzione del vettore d'onda k (2π/λ) avrà regioni di discontinuità. Questa affermazione è presentata graficamente nella Figura 4, che mostra l'analogia tra la propagazione di un elettrone in un reticolo cristallino 1D e di un fotone in un reticolo fotonico 1D. La densità continua di stati sia di un elettrone libero che di un fotone nel vuoto subisce una rottura all'interno, rispettivamente, dei reticoli cristallino e fotonico nelle cosiddette "zone di stop" al valore del vettore d'onda k (cioè quantità di moto) , che corrisponde ad un'onda stazionaria. Questa è la condizione per la diffrazione di Bragg di un elettrone e di un fotone.

Il bandgap fotonico è un intervallo di frequenze ω(k) nello spazio reciproco dei vettori d'onda k, dove la propagazione della luce di una certa frequenza (o lunghezza d'onda) è vietata nel cristallo fotonico in tutte le direzioni, mentre la luce incidente sul cristallo fotonico il cristallo fotonico viene completamente riflesso da esso. Se la luce “appare” all'interno di un cristallo fotonico, verrà “congelata” al suo interno. La zona stessa potrebbe essere incompleta, la cosiddetta zona di stop. La Figura 5 mostra i cristalli fotonici 1D, 2D e 3D nello spazio reale e la densità di fotoni degli stati nello spazio reciproco.

La banda proibita fotonica di un cristallo fotonico tridimensionale è in qualche modo analoga alla banda proibita elettronica in un cristallo di silicio. Pertanto, il gap di banda fotonico “controlla” il flusso di luce in un cristallo fotonico di silicio in modo simile a come avviene il trasporto dei portatori di carica in un cristallo di silicio. In questi due casi la formazione del bandgap è causata rispettivamente da onde stazionarie di fotoni o di elettroni.

Crea il tuo cristallo fotonico

Stranamente, le equazioni di Maxwell per i cristalli fotonici non sono sensibili al ridimensionamento, a differenza dell'equazione di Schrödinger nel caso dei cristalli elettronici. Ciò è dovuto al fatto che la lunghezza d'onda di un elettrone in un cristallo “normale” è più o meno fissa a un livello di diversi angstrom, mentre la scala dimensionale della lunghezza d'onda della luce nei cristalli fotonici può variare dalla radiazione ultravioletta a quella a microonde, esclusivamente a causa dei cambiamenti nella dimensionalità delle griglie dei componenti fotonici. Ciò porta a possibilità davvero inesauribili per mettere a punto le proprietà di un cristallo fotonico.

Attualmente esistono molti metodi per produrre cristalli fotonici, alcuni di essi sono più adatti alla formazione di cristalli fotonici unidimensionali, altri sono convenienti per quelli bidimensionali, altri sono più spesso applicabili a cristalli fotonici tridimensionali, altri lo sono. utilizzato nella produzione di cristalli fotonici su altri dispositivi ottici, ecc. Tuttavia, non tutto si limita solo a variare le dimensioni degli elementi strutturali. I cristalli fotonici possono anche essere creati a causa della non linearità ottica, della transizione metallo-non metallo, dello stato cristallino liquido, della birifrangenza ferroelettrica, del rigonfiamento e della contrazione dei gel polimerici e così via, purché l'indice di rifrazione cambi.

Dove non ci sono difetti?!

Non esistono praticamente materiali al mondo esenti da difetti, e questo è positivo. Si tratta di difetti nei materiali in fase solida in b O In misura maggiore della struttura cristallina stessa, essi influenzano le diverse proprietà dei materiali e, in ultima analisi, le loro caratteristiche funzionali, nonché i possibili campi di applicazione. Un'affermazione simile è vera nel caso dei cristalli fotonici. Dalle considerazioni teoriche segue che l'introduzione di difetti (puntuali, estesi - dislocazioni - o flessioni) a livello microin un reticolo fotonico ideale permette di creare all'interno della banda proibita fotonica determinati stati su cui può essere localizzata la luce, e la la propagazione della luce può essere limitata o, al contrario, potenziata lungo ed attorno ad una guida d'onda molto piccola (Figura 6). Se tracciamo un'analogia con i semiconduttori, questi stati assomigliano ai livelli di impurità nei semiconduttori. I cristalli fotonici con tale “difettosità controllata” possono essere utilizzati per creare dispositivi e circuiti completamente ottici per la nuova generazione di tecnologie di telecomunicazione ottica.

Tecnologia dell'informazione leggera

La Figura 7 mostra una delle immagini futuristiche del chip a tutta luce del futuro, che, senza dubbio, ha stimolato l'immaginazione di chimici, fisici e scienziati dei materiali per un intero decennio. Il chip completamente ottico è costituito da cristalli fotonici integrati di micro-dimensioni con periodicità 1D, 2D e 3D, che possono fungere da interruttori, filtri, laser a bassa soglia, ecc., mentre la luce viene trasmessa tra loro attraverso guide d'onda esclusivamente a causa di difetti strutturali . E sebbene il tema dei cristalli fotonici esista nelle “road map” per lo sviluppo delle tecnologie fotoniche, la ricerca e le applicazioni pratiche di questi materiali rimangono ancora nelle primissime fasi del loro sviluppo. Questo è l’argomento delle scoperte future che potrebbero portare alla creazione di computer ultraveloci a tutta luce, nonché di computer quantistici. Tuttavia, affinché i sogni degli scrittori di fantascienza e di molti scienziati che hanno dedicato la propria vita allo studio di materiali così interessanti e praticamente significativi come i cristalli fotonici diventino realtà, è necessario rispondere a una serie di domande. Ad esempio: cosa è necessario modificare nei materiali stessi per risolvere il problema associato alla riduzione di tali chip integrati da cristalli fotonici di dimensioni microscopiche per un uso pratico diffuso? È possibile, utilizzando la microprogettazione (“top-down”), o l’autoassemblaggio (“bottom-up”), o una qualche fusione di questi due metodi (ad esempio, l’autoassemblaggio diretto), per realizzare su scala industriale il produzione di chip da cristalli fotonici di dimensioni micro? La scienza dei computer basata su chip di luce cristallina microfotonica è una realtà o è ancora una fantasia futurista?

Un gran numero di lavori, e recentemente monografie, sono dedicati alle proprietà insolite dei cristalli fotonici. Ricordiamo che i cristalli fotonici sono quei mezzi artificiali in cui, a causa di cambiamenti periodici dei parametri dielettrici (ovvero l'indice di rifrazione), le proprietà di propagazione delle onde elettromagnetiche (luce) diventano simili alle proprietà degli elettroni che si propagano nei cristalli reali. Di conseguenza, il termine “cristallo fotonico” sottolinea la somiglianza tra fotoni ed elettroni. La quantizzazione delle proprietà dei fotoni porta al fatto che nello spettro di un'onda elettromagnetica che si propaga in un cristallo fotonico possono apparire zone proibite in cui la densità degli stati dei fotoni è pari a zero.

Per la prima volta è stato realizzato un cristallo fotonico tridimensionale con un bandgap assoluto per le onde elettromagnetiche nella gamma delle microonde. L'esistenza di un band gap assoluto significa che le onde elettromagnetiche in una determinata banda di frequenza non possono propagarsi in un dato cristallo in nessuna direzione, poiché la densità di stato dei fotoni la cui energia corrisponde a questa banda di frequenza è zero in qualsiasi punto del cristallo. Come i veri cristalli, i cristalli fotonici possono essere conduttori, semiconduttori, isolanti e superconduttori in termini di presenza e proprietà del loro band gap. Se ci sono “difetti” nella banda proibita di un cristallo fotonico, allora un fotone può essere “catturato” dal “difetto”, in modo simile a come un elettrone o una lacuna vengono catturati da una corrispondente impurità situata nella banda proibita di un semiconduttore .

Tali onde che si propagano con energia situata all'interno della banda proibita sono chiamate modalità di difetto.

Rifrazione metamateriale del cristallo fotonico

Come già notato, le proprietà insolite di un cristallo fotonico si osservano quando le dimensioni della cella elementare del cristallo sono dell'ordine della lunghezza dell'onda che si propaga in esso. È chiaro che i cristalli fotonici ideali nella gamma della luce visibile possono essere prodotti solo utilizzando tecnologie submicroniche. Il livello della scienza e della tecnologia moderne rende possibile la creazione di tali cristalli tridimensionali.

Le applicazioni dei cristalli fotonici sono piuttosto numerose: isolatori ottici, cancelli ottici, interruttori, multiplexer, ecc. Una delle strutture estremamente importanti da un punto di vista pratico sono le fibre ottiche a cristalli fotonici. Sono stati inizialmente costituiti da un insieme di capillari di vetro raccolti in un pacco denso, che è stato poi sottoposto a cappa convenzionale. Il risultato è stato una fibra ottica contenente fori regolarmente spaziati con una dimensione caratteristica di circa 1 micron. Successivamente sono state ottenute guide di luce ottiche in cristalli fotonici di varie configurazioni e con diverse proprietà (Fig. 9).

Un nuovo metodo di perforazione per la creazione di guide di luce a cristalli fotonici è stato sviluppato presso l'Istituto di radioingegneria ed elettronica e il Centro scientifico per fibre ottiche dell'Accademia russa delle scienze. Innanzitutto, sono stati praticati fori meccanici con qualsiasi matrice in uno spesso pezzo di quarzo, quindi il pezzo è stato disegnato. Il risultato è stato una fibra di cristallo fotonico di alta qualità. In tali conduttori di luce si creano facilmente difetti di varie forme e dimensioni, in modo che in essi possano essere eccitati contemporaneamente più modi di luce, le cui frequenze si trovano nella banda proibita del cristallo fotonico. I difetti, in particolare, possono assumere la forma di un canale cavo, in modo che la luce non si propaghi nel quarzo, ma attraverso l'aria, il che può ridurre significativamente le perdite in lunghe sezioni di guide luminose a cristalli fotonici. La propagazione della radiazione visibile e infrarossa nelle guide di luce dei cristalli fotonici è accompagnata da vari fenomeni fisici: diffusione Raman, miscelazione armonica, generazione armonica, che alla fine porta alla generazione del supercontinuum.

Non meno interessanti, dal punto di vista dello studio degli effetti fisici e delle possibili applicazioni, sono i cristalli fotonici mono e bidimensionali. Queste strutture non sono propriamente cristalli fotonici, ma possono essere considerate tali quando le onde elettromagnetiche si propagano in determinate direzioni. Un tipico cristallo fotonico unidimensionale è una struttura periodica multistrato costituita da strati di almeno due sostanze con indici di rifrazione molto diversi. Se un'onda elettromagnetica si propaga lungo la normale, in tale struttura appare un gap di banda per determinate frequenze. Se uno degli strati della struttura viene sostituito con una sostanza con indice di rifrazione diverso dagli altri o viene modificato lo spessore di uno strato, allora tale strato sarà un difetto in grado di catturare un'onda la cui frequenza è nella banda proibita .

La presenza di uno strato magnetico difettoso in una struttura dielettrica non magnetica porta ad un aumento multiplo della rotazione di Faraday dell'onda quando si propaga in tale struttura e ad un aumento della trasparenza ottica del mezzo.

In generale, la presenza di strati magnetici nei cristalli fotonici può modificarne significativamente le proprietà, principalmente nella gamma delle microonde. Il fatto è che nella gamma delle microonde la permeabilità magnetica dei ferromagneti in una determinata banda di frequenza è negativa, il che ne facilita l'utilizzo nella creazione di metamateriali. Accoppiando tali sostanze con strati metallici non magnetici o strutture costituite da singoli conduttori o strutture periodiche di conduttori, è possibile produrre strutture con valori negativi di costanti magnetiche e dielettriche. Un esempio sono le strutture realizzate presso l’Istituto di Radioingegneria ed Elettronica dell’Accademia Russa delle Scienze, progettate per rilevare la riflessione e la rifrazione “negativa” delle onde di spin magnetostatiche. Questa struttura è una pellicola di granato di ferro ittrio con conduttori metallici sulla sua superficie. Le proprietà delle onde di spin magnetostatiche che si propagano in sottili film ferromagnetici dipendono fortemente dal campo magnetico esterno. Nel caso generale, uno dei tipi di tali onde è un'onda all'indietro, quindi il prodotto scalare del vettore d'onda e del vettore di puntamento per questo tipo di onda è negativo.

L'esistenza delle onde reverse nei cristalli fotonici è dovuta anche alla periodicità delle proprietà del cristallo stesso. In particolare, per le onde i cui vettori d'onda giacciono nella prima zona di Brillouin, la condizione di propagazione può essere soddisfatta come per le onde dirette, e per le stesse onde nella seconda zona di Brillouin - come per quelle arretrate. Come i metamateriali, anche i cristalli fotonici possono mostrare proprietà insolite nella propagazione delle onde, come la rifrazione “negativa”.

Tuttavia, i cristalli fotonici possono essere un metamateriale per il quale il fenomeno della rifrazione “negativa” è possibile non solo nella gamma delle microonde, ma anche nella gamma delle frequenze ottiche. Gli esperimenti confermano l'esistenza di una rifrazione “negativa” nei cristalli fotonici per onde con frequenze superiori alla frequenza del primo gap di banda vicino al centro della zona di Brillouin. Ciò è dovuto all'effetto della velocità di gruppo negativa e, di conseguenza, di un indice di rifrazione negativo per l'onda. Infatti in questa gamma di frequenze le onde si invertono.

I cristalli fotonici (PC) sono strutture caratterizzate da una variazione periodica della costante dielettrica nello spazio. Le proprietà ottiche dei PC sono molto diverse dalle proprietà ottiche dei mezzi continui. La propagazione della radiazione all'interno di un cristallo fotonico, a causa della periodicità del mezzo, diventa simile al movimento di un elettrone all'interno di un normale cristallo sotto l'influenza di un potenziale periodico. Di conseguenza, le onde elettromagnetiche nei cristalli fotonici hanno uno spettro di bande e una dipendenza dalle coordinate simili alle onde di Bloch degli elettroni nei cristalli ordinari. In determinate condizioni si formano delle lacune nella struttura delle bande dei PC, simili alle bande elettroniche proibite nei cristalli naturali. A seconda delle proprietà specifiche (materiale degli elementi, loro dimensione e periodo reticolare), sono zone di frequenza sia completamente vietate, per le quali la propagazione della radiazione è impossibile indipendentemente dalla sua polarizzazione e direzione, sia parzialmente vietate (zone di stop), in cui la distribuzione è possibile solo nelle direzioni selezionate.

I cristalli fotonici sono interessanti sia dal punto di vista fondamentale che per numerose applicazioni. Sulla base di cristalli fotonici, vengono creati e sviluppati filtri ottici, guide d'onda (in particolare, nelle linee di comunicazione in fibra ottica) e dispositivi che consentono il controllo della radiazione termica, basati su cristalli fotonici.

Oltre a modificare gli spettri di riflessione, trasmissione e assorbimento, i cristalli fotonici metallo-dielettrici hanno una densità specifica di stati fotonici. La variazione della densità degli stati può influenzare in modo significativo la durata dello stato eccitato di un atomo o di una molecola posta all'interno di un cristallo fotonico e, di conseguenza, modificare il carattere della luminescenza. Ad esempio, se la frequenza di transizione in una molecola indicatrice situata in un cristallo fotonico rientra nella banda proibita, la luminescenza a questa frequenza verrà soppressa.

Le FC si dividono in tre tipologie: monodimensionali, bidimensionali e tridimensionali.

Cristalli fotonici mono, bi e tridimensionali. Colori diversi corrispondono a materiali con costanti dielettriche diverse.

Le FC con strati alternati di materiali diversi sono unidimensionali.

Immagine elettronica di un PC unidimensionale utilizzato in un laser come specchio multistrato di Bragg.

I PC bidimensionali possono avere geometrie più diverse. Questi, ad esempio, includono schiere di cilindri di lunghezza infinita (la loro dimensione trasversale è molto inferiore a quella longitudinale) o sistemi periodici di fori cilindrici.

Immagini elettroniche di cristalli fotonici bidimensionali diretti e inversi con reticolo triangolare.

Le strutture dei PC tridimensionali sono molto diverse. I più comuni in questa categoria sono gli opali artificiali: sistemi ordinati di diffusori sferici. Esistono due tipi principali di opali: opali diretti e inversi. La transizione dall'opale diretto all'opale inverso viene effettuata sostituendo tutti gli elementi sferici con cavità (solitamente aria), mentre lo spazio tra queste cavità viene riempito con del materiale.

Di seguito è riportata la superficie del PC, che è un opale dritto con un reticolo cubico basato su microparticelle di polistirene sferiche auto-organizzate.

La superficie interna di un PC con un reticolo cubico basato su microparticelle sferiche di polistirene auto-organizzate.

La seguente struttura è un opale inverso sintetizzato come risultato di un processo chimico in più fasi: autoassemblaggio di particelle sferiche polimeriche, impregnazione dei vuoti del materiale risultante con una sostanza e rimozione della matrice polimerica mediante attacco chimico.

Superficie di quarzo opale inverso. La fotografia è stata ottenuta utilizzando la microscopia elettronica a scansione.

Un'altra tipologia di PC tridimensionali sono le strutture del tipo “logpiles”, formate da parallelepipedi rettangolari incrociati, solitamente ad angolo retto.

Fotografia elettronica di un FC realizzato con parallelepipedi metallici.

Metodi di produzione

L'uso pratico delle FC è significativamente limitato dalla mancanza di metodi universali e semplici per la loro produzione. Al giorno d'oggi sono stati implementati diversi approcci alla creazione di FC. I due approcci principali sono descritti di seguito.

Il primo di questi è il cosiddetto metodo di auto-organizzazione o auto-assemblaggio. L'autoassemblaggio di un cristallo fotonico utilizza particelle colloidali (le più comuni sono particelle di silicio o polistirene monodisperse) che si trovano in un liquido e, man mano che il liquido evapora, si depositano nel volume. Mentre si “depositano” l'uno sull'altro, formano un PC tridimensionale e sono ordinati, a seconda delle condizioni, in un reticolo cristallino cubico o esagonale a facce centrate. Questo metodo è piuttosto lento; la formazione della FC può richiedere diverse settimane. I suoi svantaggi includono anche la percentuale scarsamente controllata di difetti che compaiono durante il processo di deposizione.

Una delle varietà del metodo di autoassemblaggio è il cosiddetto metodo a nido d'ape. Questo metodo prevede il filtraggio di un liquido contenente particelle attraverso piccoli pori e consente la formazione di PC ad una velocità determinata dalla velocità del flusso del liquido attraverso questi pori. Rispetto al metodo di deposizione convenzionale, questo metodo è molto più veloce, tuttavia, la percentuale di difetti quando lo si utilizza è maggiore.

I vantaggi dei metodi descritti includono il fatto che consentono la formazione di campioni PC di grandi dimensioni (fino a diversi centimetri quadrati di area).

Il secondo metodo più popolare per produrre PC è il metodo di incisione. Vari metodi di incisione vengono generalmente utilizzati per fabbricare PC 2D. Questi metodi si basano sull'utilizzo di una maschera di fotoresist (che definisce, ad esempio, una schiera di emisferi) formata sulla superficie di un dielettrico o di un metallo e che definisce la geometria dell'area di attacco. Questa maschera può essere prodotta utilizzando un metodo fotolitografico standard, seguito direttamente dall'attacco chimico della superficie del campione con un fotoresist. In questo caso, pertanto, nelle zone in cui è posizionato il fotoresist avviene l'incisione della superficie del fotoresist, mentre nelle zone prive di fotoresist avviene l'incisione del dielettrico o del metallo. Il processo continua fino al raggiungimento della profondità di incisione desiderata, dopodiché il fotoresist viene lavato via.

Lo svantaggio di questo metodo è l'utilizzo del processo fotolitografico, la cui migliore risoluzione spaziale è determinata dal criterio di Rayleigh. Pertanto, questo metodo è adatto per creare PC con un bandgap, che di solito si trova nella regione dello spettro del vicino infrarosso. Molto spesso, per ottenere la risoluzione richiesta, viene utilizzata una combinazione di fotolitografia e litografia a fascio di elettroni. Questo metodo è costoso ma estremamente accurato per la produzione di PC quasi bidimensionali. In questo metodo, un fotoresist, che cambia le sue proprietà quando esposto a un fascio di elettroni, viene irradiato in punti specifici per formare una maschera spaziale. Dopo l'irraggiamento, parte del fotoresist viene lavata via, mentre la restante parte viene utilizzata come maschera per l'attacco nel successivo ciclo tecnologico. La risoluzione massima di questo metodo è di circa 10 nm.

Parallelismi tra elettrodinamica e meccanica quantistica

Qualsiasi soluzione alle equazioni di Maxwell, nel caso di mezzi lineari e in assenza di cariche libere e sorgenti di corrente, può essere rappresentata come una sovrapposizione di funzioni armoniche del tempo con ampiezze complesse dipendenti dalla frequenza: , dove c'è , o .

Poiché i campi sono reali, allora , e possono essere scritti come sovrapposizione di funzioni armoniche nel tempo con frequenza positiva: ,

La considerazione delle funzioni armoniche ci consente di passare alla forma in frequenza delle equazioni di Maxwell, che non contiene derivate temporali: ,

dove la dipendenza dal tempo dei campi coinvolti in queste equazioni è rappresentata come , . Assumiamo che i mezzi siano isotropi e che la permeabilità magnetica sia .

Esprimendo esplicitamente il campo, prendendo il rotore da entrambi i membri delle equazioni, e sostituendo la seconda equazione nella prima, otteniamo:

dove è la velocità della luce nel vuoto.

In altre parole, abbiamo un problema agli autovalori:

per l'operatore

dove la dipendenza è determinata dalla struttura considerata.

Le autofunzioni (modalità) dell'operatore risultante devono soddisfare la condizione

Situato come

In questo caso la condizione è soddisfatta automaticamente poiché la divergenza del rotore è sempre zero.

L'operatore è lineare, il che significa che anche qualsiasi combinazione lineare di soluzioni del problema agli autovalori con la stessa frequenza sarà una soluzione. Si può dimostrare che in questo caso l'operatore è hermitiano, cioè per qualsiasi funzione vettoriale

dove il prodotto scalare è definito come

Il fatto che l’operatore sia hermitiano implica che i suoi autovalori siano reali. Si può anche dimostrare che a 0" align="absmiddle"> gli autovalori sono non negativi e quindi le frequenze sono reali.

Il prodotto scalare di autofunzioni corrispondenti a frequenze diverse è sempre uguale a zero. Nel caso di frequenze uguali questo non è necessariamente il caso, ma si può sempre lavorare solo con combinazioni lineari di tali autofunzioni ortogonali tra loro. Inoltre è sempre possibile costruire una base a partire dalle autofunzioni dell'operatore hermitiano ortogonali tra loro.

Se invece esprimiamo il campo in termini di , otteniamo un problema agli autovalori generalizzato:

in cui gli operatori sono già presenti su entrambi i lati dell'equazione (e dopo la divisione da parte dell'operatore sul lato sinistro dell'equazione diventa non hermitiano). In alcuni casi, questa formulazione è più conveniente.

Si noti che quando si sostituiscono gli autovalori nell'equazione, la nuova soluzione corrisponderà alla frequenza . Questo fatto si chiama scalabilità e ha un grande significato pratico. La produzione di cristalli fotonici con dimensioni caratteristiche dell'ordine dei micron è tecnicamente difficile. Tuttavia, a scopo di sperimentazione, è possibile realizzare un modello di cristallo fotonico con un periodo e una dimensione degli elementi dell'ordine del centimetro, che funzionerebbe in modalità centimetrica (in questo caso è necessario utilizzare materiali che potrebbero hanno approssimativamente la stessa costante dielettrica dei materiali simulati nella gamma di frequenza centimetrica).

Tracciamo un'analogia tra la teoria sopra descritta e la meccanica quantistica. Nella meccanica quantistica consideriamo una funzione d'onda scalare che assume valori complessi. In elettrodinamica è vettoriale e la dipendenza complessa viene introdotta solo per comodità. Una conseguenza di questo fatto, in particolare, è che le strutture a bande dei fotoni in un cristallo fotonico saranno diverse per onde con polarizzazioni diverse, in contrasto con le strutture a bande degli elettroni.

Sia in meccanica quantistica che in elettrodinamica è risolto il problema degli autovalori dell'operatore hermitiano. Nella meccanica quantistica, gli operatori hermitiani corrispondono a quantità osservabili.

E infine, nella meccanica quantistica, se l'operatore è rappresentato come una somma, la soluzione dell'equazione agli autovalori può essere scritta come , cioè il problema si divide in tre problemi unidimensionali. In elettrodinamica questo è impossibile, poiché l'operatore “collega” tutte e tre le coordinate, anche se sono separate. Per questo motivo, in elettrodinamica, le soluzioni analitiche sono disponibili solo per un numero molto limitato di problemi. In particolare, soluzioni analitiche esatte per lo spettro di banda dei PC si trovano principalmente per PC unidimensionali. Questo è il motivo per cui la modellazione numerica gioca un ruolo importante nel calcolo delle proprietà dei cristalli fotonici.

Struttura della zona

Un cristallo fotonico è caratterizzato dalla periodicità della funzione:

Un vettore di traslazione arbitrario, rappresentabile come

dove sono i vettori di traslazione primitivi e sono numeri interi.

Per il teorema di Bloch, le autofunzioni di un operatore possono essere scelte in modo che abbiano la forma di un'onda piana moltiplicata per una funzione con la stessa periodicità della FC:

dove è una funzione periodica. In questo caso i valori possono essere selezionati in modo tale che appartengano alla prima zona di Brillouin.

Sostituendo questa espressione nel problema degli autovalori formulato, otteniamo l'equazione degli autovalori

Le autofunzioni devono essere periodiche e soddisfare la condizione.

Si può dimostrare che ogni valore del vettore corrisponde ad un insieme infinito di modi con un insieme discreto di frequenze, che numereremo in ordine crescente con l'indice . Poiché l'operatore dipende in modo continuo da , anche la frequenza ad un indice fisso da dipende in modo continuo. L'insieme delle funzioni continue costituisce la struttura a bande del PC. Lo studio della struttura a bande di un PC permette di ottenere informazioni sulle sue proprietà ottiche. La presenza di qualsiasi simmetria aggiuntiva nella FC ci permette di limitarci ad una certa sottoregione della zona di Brillouin, chiamata irriducibile. Le soluzioni per , appartenenti a questa zona irriducibile, riproducono soluzioni per l'intera zona di Brillouin.

A sinistra: un cristallo fotonico bidimensionale costituito da cilindri racchiusi in un reticolo quadrato. A destra: prima zona di Brillouin corrispondente a un reticolo quadrato. Il triangolo blu corrisponde alla zona irriducibile di Brillouin. G, M E X- punti di elevata simmetria per un reticolo quadrato.

Gli intervalli di frequenza ai quali nessuna modalità corrisponde ad alcun valore effettivo del vettore d'onda sono chiamati gap di banda. La larghezza di tali zone aumenta con l'aumentare del contrasto della costante dielettrica nel cristallo fotonico (il rapporto tra le costanti dielettriche degli elementi costitutivi del cristallo fotonico). Se all'interno di un tale cristallo fotonico viene generata una radiazione con una frequenza compresa all'interno della banda proibita, non può propagarsi in esso (corrisponde al valore complesso del vettore d'onda). L'ampiezza di tale onda decade esponenzialmente all'interno del cristallo (onda evanescente). Questa è la base di una delle proprietà di un cristallo fotonico: la capacità di controllare l'emissione spontanea (in particolare, la sua soppressione). Se tale radiazione cade sul cristallo fotonico dall'esterno, viene completamente riflessa dal cristallo fotonico. Questo effetto è la base per l'uso di cristalli fotonici per filtri riflettenti, nonché risonatori e guide d'onda con pareti altamente riflettenti.

Di norma, le modalità a bassa frequenza sono concentrate prevalentemente in strati con una costante dielettrica elevata, mentre le modalità ad alta frequenza sono concentrate principalmente in strati con una costante dielettrica inferiore. Pertanto, la prima zona è spesso chiamata dielettrico e la successiva - aria.

Struttura a bande di un PC unidimensionale, corrispondente alla propagazione delle onde perpendicolare agli strati. In tutti e tre i casi, ogni strato ha uno spessore di 0,5 UN, Dove UN- Periodo FC. A sinistra: ogni strato ha la stessa costante dielettrica ε = 13. Centro: la costante dielettrica degli strati alternati ha valori ε = 12 e ε = 13. A destra: ε = 1 e ε = 13.

Nel caso di un PC di dimensione inferiore a tre non esistono band gap completi per tutte le direzioni, conseguenza della presenza di una o due direzioni lungo le quali il PC è omogeneo. Intuitivamente ciò si spiega con il fatto che lungo queste direzioni l'onda non subisce le riflessioni multiple necessarie per la formazione dei band gap.

Nonostante ciò, è possibile creare PC unidimensionali che riflettano le onde incidenti sul PC con qualsiasi angolazione.

Struttura a bande di un PC unidimensionale con periodo UN, in cui lo spessore degli strati alternati è 0,2 UN e 0,8 UN, e le loro costanti dielettriche sono ε = 13 e ε = 1 rispettivamente. La parte sinistra della figura corrisponde alla direzione di propagazione dell'onda perpendicolare agli strati (0, 0, k z) e quello giusto - nella direzione lungo gli strati (0, k y, 0). La zona vietata esiste solo per la direzione perpendicolare agli strati. Tieni presente che quando k y > 0, la degenerazione viene rimossa per due diverse polarizzazioni.

Di seguito è riportata la struttura della fascia di un PC avente la geometria di un opale. Si può vedere che questo PC ha una banda proibita completa ad una lunghezza d'onda di circa 1,5 μm e una banda stop, con un massimo di riflessione ad una lunghezza d'onda di 2,5 μm. Modificando il tempo di attacco della matrice di silicio in uno degli stadi di produzione dell'opale inverso e variando quindi il diametro delle sfere, è possibile ottenere la localizzazione della banda proibita in un certo intervallo di lunghezze d'onda. Gli autori notano che una struttura con caratteristiche simili può essere utilizzata nelle tecnologie delle telecomunicazioni. La radiazione alla frequenza bandgap può essere localizzata all'interno del volume del PC e, quando viene fornito il canale necessario, può propagarsi praticamente senza perdite. Un tale canale può essere formato, ad esempio, rimuovendo elementi di un cristallo fotonico lungo una determinata linea. Quando il canale viene piegato, anche l'onda elettromagnetica cambierà la direzione del movimento, ripetendo la forma del canale. Pertanto, tale PC dovrebbe essere utilizzato come unità di trasmissione tra il dispositivo emittente e il microchip ottico che elabora il segnale.

Confronto dello spettro di riflettanza nella direzione GL, misurato sperimentalmente, e della struttura a bande calcolata mediante espansione dell'onda piana per opale di silicio inverso (Si) con un reticolo cubico a faccia centrata (l'inserto mostra la prima zona di Brillouin). Frazione volumetrica di silicio 22%. Periodo reticolare 1,23 µm

Nel caso dei PC unidimensionali, anche la più piccola costante dielettrica di contrasto è sufficiente per formare un gap di banda. Sembrerebbe che per i PC dielettrici tridimensionali si possa trarre una conclusione simile: assumere la presenza di un completo band gap per quanto piccolo sia il contrasto della costante dielettrica nel caso in cui al confine della zona di Brillouin il vettore ha moduli identici in tutte le direzioni (che corrisponde a una zona Brillouin sferica). Tuttavia in natura non esistono cristalli tridimensionali con zona Brillouin sferica. Di regola, ha una forma poligonale piuttosto complessa. Pertanto, risulta che esistono band gap in direzioni diverse a frequenze diverse. Solo se il contrasto dielettrico è sufficientemente grande le bande di stop in diverse direzioni possono sovrapporsi e formare un gap di banda completo in tutte le direzioni. La più vicina alla sferica (e quindi la più indipendente dalla direzione del vettore Bloch) è la prima zona di Brillouin del reticolo cubico a facce centrate (FCC) e del diamante, rendendo i PC tridimensionali con tale struttura più adatti a formare un totale gap di banda nello spettro. Allo stesso tempo, affinché compaiano bande proibite complete negli spettri di tali PC, è necessario un contrasto elevato della costante dielettrica. Se indichiamo la larghezza del gap relativo come , allora per ottenere valori di 5\%" align="absmiddle"> è necessario un contrasto rispettivamente per i reticoli diamante e fcc. Per utilizzare i gap di banda negli spettri dei cristalli fotonici in varie applicazioni, è necessario riuscire a rendere il band gap sufficientemente ampio, tenendo presente che tutti i PC ottenuti negli esperimenti sono imperfetti, e difetti nella struttura possono ridurre notevolmente il band gap.

La prima zona di Brillouin di un reticolo cubico a facce centrate e punti di elevata simmetria.

In conclusione, notiamo ancora una volta la somiglianza delle proprietà ottiche dei PC con le proprietà degli elettroni nella meccanica quantistica quando si considera la struttura a bande di un solido. Tuttavia, esiste una differenza significativa tra fotoni ed elettroni: gli elettroni hanno una forte interazione tra loro. Pertanto, i problemi “elettronici”, di regola, richiedono di tenere conto degli effetti multielettronici, che aumentano notevolmente la dimensione del problema, il che spesso costringe all’uso di approssimazioni non sufficientemente precise, mentre in un PC costituito da elementi con una risposta ottica non lineare trascurabile , questa difficoltà è assente.

Una direzione promettente nell’ottica moderna è il controllo delle radiazioni mediante cristalli fotonici. In particolare, Sandia Labs ha esplorato cristalli fotonici log-pile per ottenere un'elevata selettività di emissione nella regione del vicino infrarosso dei cristalli fotonici metallici, sopprimendo contemporaneamente fortemente l'emissione nella regione del medio infrarosso (<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.

Secondo la legge di Kirchhoff per la radiazione in equilibrio termico, l'emissività di un corpo grigio (o di una superficie) è proporzionale al suo assorbimento. Pertanto, per ottenere informazioni sull'emissività dei PC metallici, è possibile studiare i loro spettri di assorbimento. Per ottenere un'elevata selettività di una struttura emittente nella gamma visibile (nm) contenente PC, è necessario selezionare condizioni in cui l'assorbimento nella gamma visibile è elevato e nell'IR è soppresso.

Nei nostri lavori http, abbiamo analizzato in dettaglio la variazione dello spettro di assorbimento di un cristallo fotonico con elementi di tungsteno e con geometria opale quando cambiano tutti i suoi parametri geometrici: il periodo reticolare, la dimensione degli elementi di tungsteno, il numero di strati nel campione di cristallo fotonico. È stata inoltre effettuata un'analisi dell'effetto sullo spettro di assorbimento dei difetti nel cristallo fotonico che si verificano durante la sua fabbricazione.

Nell'ultimo decennio lo sviluppo della microelettronica ha subito un rallentamento poiché sono stati quasi raggiunti i limiti di velocità dei dispositivi a semiconduttore standard. Un numero crescente di studi è dedicato allo sviluppo di aree alternative all'elettronica dei semiconduttori: si tratta della spintronica, della microelettronica con elementi superconduttori, della fotonica e alcuni altri.

Il nuovo principio di trasmissione ed elaborazione delle informazioni utilizzando la luce anziché i segnali elettrici può accelerare l’inizio di una nuova fase dell’era dell’informazione.

Dai cristalli semplici a quelli fotonici

La base dei dispositivi elettronici del futuro potrebbero essere i cristalli fotonici: si tratta di materiali sintetici ordinati in cui la costante dielettrica cambia periodicamente all'interno della struttura. Nel reticolo cristallino di un semiconduttore tradizionale, la regolarità e la periodicità della disposizione degli atomi porta alla formazione di una cosiddetta struttura energetica a bande - con bande consentite e proibite. Un elettrone la cui energia rientra nella banda consentita può muoversi attorno al cristallo, ma un elettrone con energia nella banda proibita viene “bloccato”.

Per analogia con un cristallo ordinario, è nata l'idea di un cristallo fotonico. In esso, la periodicità della costante dielettrica provoca la comparsa di zone fotoniche, in particolare la zona proibita, all'interno della quale viene soppressa la propagazione della luce con una certa lunghezza d'onda. Cioè, essendo trasparenti ad un ampio spettro di radiazioni elettromagnetiche, i cristalli fotonici non trasmettono luce con una lunghezza d'onda selezionata (pari al doppio del periodo della struttura lungo il percorso ottico).

I cristalli fotonici possono avere dimensioni diverse. I cristalli unidimensionali (1D) sono una struttura multistrato di strati alternati con diversi indici di rifrazione. I cristalli fotonici bidimensionali (2D) possono essere rappresentati come una struttura periodica di bastoncini con diverse costanti dielettriche. I primi prototipi sintetici di cristalli fotonici erano tridimensionali e realizzati all'inizio degli anni '90 dai dipendenti del centro ricerche Laboratori Bell(U.S.A). Per ottenere un reticolo periodico in un materiale dielettrico, gli scienziati americani hanno praticato dei fori cilindrici in modo da ottenere una rete tridimensionale di vuoti. Affinché il materiale diventasse un cristallo fotonico, la sua costante dielettrica è stata modulata con un periodo di 1 centimetro in tutte e tre le dimensioni.

Analoghi naturali dei cristalli fotonici sono i rivestimenti in madreperla delle conchiglie (1D), le antenne di un topo marino, un verme polichete (2D), le ali di una farfalla africana a coda di rondine e pietre semipreziose, come l'opale ( 3D).

Ma anche oggi, anche utilizzando i metodi più moderni e costosi di litografia elettronica e attacco ionico anisotropo, è difficile produrre cristalli fotonici tridimensionali privi di difetti con uno spessore superiore a 10 celle strutturali.

I cristalli fotonici dovrebbero trovare ampia applicazione nelle tecnologie integrate fotoniche, che in futuro sostituiranno i circuiti integrati elettrici nei computer. Quando si trasmettono informazioni utilizzando fotoni anziché elettroni, il consumo energetico verrà drasticamente ridotto, le frequenze dell'orologio e la velocità di trasferimento delle informazioni aumenteranno.

Cristallo fotonico di ossido di titanio

L'ossido di titanio TiO 2 ha una serie di caratteristiche uniche, come un elevato indice di rifrazione, stabilità chimica e bassa tossicità, che lo rendono il materiale più promettente per la creazione di cristalli fotonici unidimensionali. Se consideriamo i cristalli fotonici per le celle solari, qui vince l'ossido di titanio per le sue proprietà semiconduttrici. In precedenza, un aumento dell'efficienza delle celle solari era stato dimostrato utilizzando uno strato semiconduttore con una struttura cristallina fotonica periodica, inclusi cristalli fotonici di ossido di titanio.

Ma finora, l'uso di cristalli fotonici a base di biossido di titanio è limitato dalla mancanza di tecnologie riproducibili ed economiche per la loro creazione.

I dipendenti della Facoltà di Chimica e della Facoltà di Scienze dei Materiali dell'Università Statale di Mosca - Nina Sapoletova, Sergei Kushnir e Kirill Napolsky - hanno migliorato la sintesi di cristalli fotonici unidimensionali basati su pellicole porose di ossido di titanio.

"L'anodizzazione (ossidazione elettrochimica) dei metalli delle valvole, inclusi alluminio e titanio, è un metodo efficace per produrre pellicole di ossido poroso con canali di dimensioni nanometriche", ha spiegato Kirill Napolsky, capo del gruppo di nanostrutturazione elettrochimica, Candidato di scienze chimiche.

L'anodizzazione viene solitamente eseguita in una cella elettrochimica a due elettrodi. Due piastre metalliche, il catodo e l'anodo, vengono immerse nella soluzione elettrolitica e viene applicata una tensione elettrica. L'idrogeno viene rilasciato al catodo e l'ossidazione elettrochimica del metallo avviene all'anodo. Se la tensione applicata alla cella viene modificata periodicamente, sull'anodo si forma una pellicola porosa con una porosità di un determinato spessore.

L'indice di rifrazione effettivo sarà modulato se il diametro dei pori cambia periodicamente all'interno della struttura. Le tecniche di anodizzazione del titanio precedentemente sviluppate non consentivano di ottenere materiali con un elevato grado di struttura periodica. I chimici dell'Università statale di Mosca hanno sviluppato un nuovo metodo per l'anodizzazione del metallo con modulazione della tensione in base alla carica di anodizzazione, che consente di creare ossidi metallici anodici porosi con elevata precisione. I chimici hanno dimostrato le capacità della nuova tecnica utilizzando l'esempio di cristalli fotonici unidimensionali costituiti da ossido di titanio anodico.

Come risultato della modifica della tensione di anodizzazione secondo una legge sinusoidale nell'intervallo 40-60 Volt, gli scienziati hanno ottenuto nanotubi anodici di ossido di titanio con un diametro esterno costante e un diametro interno che cambia periodicamente (vedi figura).

“Le tecniche di anodizzazione utilizzate in precedenza non consentivano di ottenere materiali con un elevato grado di struttura periodica. Abbiamo sviluppato una nuova tecnica, la cui componente chiave è in situ(direttamente durante la sintesi) misurazione della carica di anodizzazione, che consente di controllare con estrema precisione lo spessore degli strati con diverse porosità nel film di ossido formato", ha spiegato uno degli autori del lavoro, candidato in scienze chimiche Sergei Kushnir.

La tecnica sviluppata semplificherà la creazione di nuovi materiali con struttura modulata a base di ossidi metallici anodici. “Se consideriamo l’uso di cristalli fotonici costituiti da ossido di titanio anodico nelle celle solari come un uso pratico della tecnica, allora è necessario uno studio sistematico dell’influenza dei parametri strutturali di tali cristalli fotonici sull’efficienza della conversione della luce nelle celle solari. ancora da eseguire", ha chiarito Sergey Kushnir.