В останнє десятиліття розвиток мікроелектроніки загальмувався, оскільки вже практично досягнуто обмежень щодо швидкодії стандартних напівпровідникових пристроїв. Дедалі більше досліджень присвячується розробці альтернативних напівпровідникової електроніці областей - це спинтроніка, мікроелектроніка з надпровідними елементами, фотоніка та інших.
Новий принцип передачі та обробки інформації за допомогою світлового, а не електричного сигналу може прискорити настання нового етапу інформаційного століття.
Від простих кристалів до фотонних
Основою електронних пристроїв майбутнього можуть стати фотонні кристали – це синтетичні впорядковані матеріали, у яких діелектрична проникність періодично змінюється усередині структури. В кристалічній решітцітрадиційного напівпровідника регулярність, періодичність розташування атомів призводить до утворення так званої зонної енергетичної структури – з дозволеними та забороненими зонами. Електрон, енергія якого потрапляє в дозволену зону, може пересуватися кристалом, а електрон з енергією в забороненій зоні виявляється «замкненим».
За аналогією зі звичайним кристалом виникла ідея фотонного кристала. У ньому періодичність діелектричної проникності зумовлює виникнення фотонних зон, зокрема, забороненої, у межах якої поширення світла з певною довжиною хвилі пригнічено. Тобто, будучи прозорими для широкого спектра електромагнітного випромінювання, фотонні кристали не пропускають світло з довжиною хвилі (рівною подвоєному періоду структури по довжині оптичного шляху).
Фотонні кристали можуть мати різну розмірність. Одномірні (1D) кристали являють собою багатошарову структуру з шарів, що чергуються, з різними показниками заломлення. Двовимірні фотонні кристали (2D) можна подати у вигляді періодичної структури зі стрижнів з різною діелектричною проникністю. Перші синтетичні прообрази фотонних кристалівбули тривимірними та створені ще на початку 1990-х років співробітниками дослідницького центру Bell Labs(США). Для отримання періодичних ґрат у діелектричному матеріалі американські вчені висвердлювали циліндричні отвори таким чином, щоб отримати тривимірну мережу порожнин. Для того, щоб матеріал став фотонним кристалом, його діелектрична проникність була модульована з періодом 1 сантиметр у всіх трьох вимірах.
Природними аналогами фотонних кристалів є перламутрові покриття раковин (1D), вусики морської миші, багатощетинкового черв'яка (2D), крила африканського метелика вітрильника та напівдорогоцінне каміння, наприклад, опал (3D).
Але й сьогодні, навіть за допомогою найсучасніших та найдорожчих методів електронної літографії та анізотропного іонного травлення, важко вдається виготовити бездефектні тривимірні фотонні кристали з товщиною понад 10 структурних осередків.
Фотонні кристали повинні знайти широке застосування у фотонних інтегральних технологіях, які замінять електричні інтегральні схеми в комп'ютерах. При передачі інформації з використанням фотонів замість електронів різко скоротиться енергоспоживання, збільшаться тактові частоти та швидкість передачі.
Фотонний кристал із оксиду титану
Оксид титану TiO 2 має набір унікальних характеристик, таких як високий показник заломлення, хімічна стабільність та низька токсичність, що робить його найбільш перспективним матеріалом для створення одновимірних фотонних кристалів. Якщо розглядати фотонні кристали для сонячних батарей, то тут оксид титану виграє через напівпровідникові властивості. Раніше було продемонстровано збільшення ККД сонячних елементів під час використання шару напівпровідника з періодичною структурою фотонного кристала, зокрема фотонних кристалів з оксиду титану.
Але поки що застосування фотонних кристалів на основі діоксиду титану обмежується відсутністю відтворюваної та недорогої технології їх створення.
Співробітники хімічного факультету та факультету наук про матеріали МДУ – Ніна Саполетова, Сергій Кушнір та Кирило Напольський – удосконалили синтез одновимірних фотонних кристалів на основі пористих плівок оксиду титану.
«Анодування (електрохімічне окиснення) вентильних металів, зокрема алюмінію та титану, є ефективним методом отримання пористих оксидних плівок з каналами нанометрового розміру», - пояснив керівник групи електрохімічного наноструктурування, кандидат хімічних наук Кирило Напольський.
Анодування зазвичай проводять у двоелектродному електрохімічному осередку. У розчин електроліту опускають дві металеві пластини - катод та анод, і подають електричну напругу. На катоді виділяється водень, аноді відбувається електрохімічне окислення металу. Якщо періодично змінювати напругу, що прикладається до осередку, то на аноді формується пориста плівка із заданою по товщині пористістю.
Ефективний показник заломлення буде модулюватися, якщо діаметр пір періодично змінюватиметься всередині структури. Розроблені раніше методики анодування титану не дозволяли отримувати матеріали з високим ступенем періодичності структури. Хіміки з МДУ розробили новий спосіб анодування металу з модуляцією напруги залежно від заряду анодування, що дозволяє з високою точністю створювати пористі анодні оксиди металів. Можливості нової методики хіміки продемонстрували з прикладу одномірних фотонних кристалів з анодного оксиду титану.
В результаті зміни напруги анодування за синусоїдальним законом в діапазоні 40-60 Вольт вчені отримали нанотрубки анодного оксиду титану з постійним зовнішнім діаметром і внутрішнім діаметром, що періодично змінюється (див. малюнок).
«Застосовувані раніше методики анодування не дозволяли отримувати матеріали з високим ступенем періодичності структури. Ми розробили нову методику, ключовою складовою якої є in situ(безпосередньо під час синтезу) вимірювання заряду анодування, що дозволяє з високою точністю контролювати товщину шарів з різною пористістю у формованій оксидній плівці», - пояснив один із авторів роботи, кандидат хімічних наук Сергій Кушнір.
Розроблена методика спростить створення нових матеріалів із модульованою структурою на основі анодних оксидів металів. «Якщо як практичне використання методики розглядати застосування в сонячних батареях фотонних кристалів з анодного оксиду титану, то ще належить провести систематичне дослідження впливу структурних параметрів таких фотонних кристалів на ефективність перетворення світла в сонячних батареях», - уточнив Сергій Кушнір.
Фотонні кристали за характером зміни коефіцієнта заломлення можна розділити на три основні класи:
1. Одномірні, в яких коефіцієнт заломлення періодично змінюється в одному просторовому напрямку як показано на малюнку 2. На цьому малюнку символом Л позначений період зміни коефіцієнта заломлення, і - показники заломлення двох матеріалів (але в загальному випадку може бути будь-яка кількість матеріалів). Такі фотонні кристали складаються з паралельних один одному шарів різних матеріалів з різними коефіцієнтами заломлення і можуть виявляти свої властивості в одному просторовому напрямку перпендикулярному шарам.
Рисунок 1 - Схематичне уявлення одновимірного фотонного кристала
2. Двовимірні, у яких коефіцієнт заломлення періодично змінюється у двох просторових напрямках, як показано на малюнку 2. На цьому малюнку фотонний кристал створений прямокутними областями з коефіцієнтом заломлення, що знаходяться в середовищі з коефіцієнтом заломлення. При цьому області з коефіцієнтом заломлення впорядковані у двовимірних кубічних решітках. Такі фотонні кристали можуть виявляти свої властивості у двох просторових напрямках, і форма областей з коефіцієнтом заломлення не обмежується прямокутниками, як на малюнку, а може бути будь-якою (коло, еліпси, довільна і т. д.). Кристалічна решітка, в якій упорядковані ці області, також може бути іншою, а не тільки кубічною, як на наведеному малюнку.
Малюнок - 2 Схематичне уявлення двовимірного фотонного кристала
3. Тривимірні, у яких коефіцієнт заломлення періодично змінюється у трьох просторових напрямках. Такі фотонні кристали можуть виявляти свої властивості у трьох просторових напрямках, і можна їх уявити як масив об'ємних областей (сфер, кубів і т. д.), упорядкованих у тривимірній кристалічній решітці.
Як і електричні середовища залежно від ширини заборонених і дозволених зон, фотонні кристали можна розділити на провідники - здатні проводити світло на великі відстані з малими втратами, діелектрики - практично ідеальні дзеркала, напівпровідники - речовини здатні, наприклад, вибірково відображати фотони певної довжини хвилі надпровідники, в яких завдяки колективним явищам фотони здатні поширюватися практично на необмежені відстані.
Також розрізняють резонансні та нерезонансні фотонні кристали. Резонансні фотонні кристали відрізняються від нерезонансних тим, що в них використовуються матеріали, у яких діелектрична проникність (або коефіцієнт заломлення) як функція частоти має полюс деякою резонансною частотою.
Будь-яка неоднорідність у фотонному кристалі називають дефектом фотонного кристала. У таких областях часто зосереджується електромагнітне поле, що використовується у мікрорезонаторах та хвилеводах, побудованих на основі фотонних кристалів.
Як і електричні середовища залежно від ширини заборонених і дозволених зон, фотонні кристали можна розділити на провідники - здатні проводити світло на великі відстані з малими втратами, діелектрики - практично ідеальні дзеркала, напівпровідники - речовини здатні, наприклад, вибірково відображати фотони певної довжини хвилі надпровідники, в яких завдяки колективним явищам фотони здатні поширюватися практично на необмежені відстані. Також розрізняють резонансні та нерезонансні фотонні кристали. Резонансні фотонні кристали відрізняються від нерезонансних тим, що в них використовуються матеріали, у яких діелектрична проникність (або коефіцієнт заломлення) як функція частоти має полюс деякою резонансною частотою.
Будь-яка неоднорідність у фотонному кристалі називають дефектом фотонного кристала. У таких областях часто зосереджується електромагнітне поле, що використовується у мікрорезонаторах та хвилеводах, побудованих на основі фотонних кристалів. Існує ряд аналогій при описі поширення електромагнітних хвиль у фотонних кристалах та електронних властивостей кристалів. Наведемо деякі з них.
1. Стан електрона всередині кристала (закон руху) визначається рішенням рівняння Шрлдингера, поширення світла у фотонному кристалі підпорядковується хвильовому рівнянню, що є наслідком рівнянь Максвелла:
- 2. Стан електрона описується скалярною хвильовою функцією ш(r,t), стан електромагнітної хвилі описується векторними полями - напруженістю магнітної або електричної компонент, H(r,t) або E(r,t).
- 3. Хвильова функція електрона ш(r,t) може бути розкладена в ряд за власними станами шE(r), кожному з яких відповідає власна енергія E. Напруженість електромагнітного поля H(r,t) може бути представлена суперпозицією монохроматичних компонентів (мод) електромагнітного поля Hщ(r), кожній з яких відповідає власне значення - частота моди щ:
4. Атомний потенціал U(r) і діелектрична проникність е(r), що фігурують в рівняннях Шрлдингера і Максвелла, є періодичними функціями з періодами, рівними будь-яким векторам R грати кристала і фотонного кристала, відповідно:
U(r) = U(r + R), (3)
5. Для хвильової функції електрона та напруженості електромагнітного поля виконується теорема Блоха з періодичними функціями u k та u k.
- 6. Можливі значення хвильових векторів k заповнюють зону Брілюена кристалічної решітки або елементарного осередку фотонного кристала, що задається в просторі зворотних векторів.
- 7. Енергія електрона E, що є власним значенням рівняння Шрлдингера, та власне значення хвильового рівняння (наслідки рівнянь Максвелла) – частота моди щ – пов'язані зі значеннями хвильових векторів k блохівських функцій (4) законом дисперсії E(k) та щ(k).
- 8. Домішковий атом, що порушує трансляційну симетрію атомного потенціалу, є дефектом кристала і може створювати домішковий електронний стан, локалізований на околиці дефекту. Зміни діелектричної проникності в певній області фотонного кристала порушують трансляційну симетрію е(r) і призводить до появи дозволеної моди всередині забороненої фотонної зони, локалізованої в її просторовому околиці.
Незвичайним властивостям фотонних кристалів присвячено безліч робіт, а в Останнім часомта монографій. Нагадаємо, що фотонними кристалами називають такі штучні середовища, в яких завдяки періодичній зміні діелектричних параметрів (мається на увазі показник заломлення) властивості електромагнітних хвиль (світла), що поширюються, стають аналогічними властивостям електронів, що поширюються в реальних кристалах. Відповідно термін "фотонний кристал" підкреслює схожість фотонів та електронів. Квантування властивостей фотонів призводить до того, що в спектрі електромагнітної хвилі, що розповсюджується у фотонному кристалі, можуть виникати заборонені зони, в яких щільність станів фотонів дорівнює нулю.
Тривимірний фотонний кристал з абсолютною забороненою зоною був вперше реалізований для електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону. Існування абсолютної забороненої зони означає, що електромагнітні хвилі в певній смузі частот не можуть поширюватися в даному кристалі в будь-якому напрямку, оскільки щільність стану фотонів, енергія яких відповідає цій смузі частот, дорівнює нулю у будь-якій точці кристала. Як і реальні кристали, фотонні за наявністю та властивостями забороненої зони можуть бути провідниками, напівпровідниками, ізоляторами та надпровідниками. Якщо в забороненій зоні фотонного кристала існують "дефекти", то можливе "захоплення" фотона "дефектом", аналогічно тому, як відбувається захоплення електрона або дірки відповідною домішкою, що знаходиться в забороненій зоні напівпровідника.
Такі хвилі, що розповсюджуються, з енергією, розташованої всередині забороненої зони, називаються дефектними модами.
фотонний кристал метаматеріал заломлення
Як зазначалося, незвичайні властивості фотонного кристала спостерігаються, коли розміри елементарного осередку кристала порядку довжини хвилі, що поширюється в ньому. Зрозуміло, що ідеальні фотонні кристали видимого діапазону світла можна виготовити за допомогою субмікронних технологій. Рівень сучасної наукита техніки дозволяє створювати такі тривимірні кристали.
Застосування фотонних кристалів досить багато - оптичні ізолятори, оптичні вентилі, перемикачі, мультиплексори і т.д. Однією з надзвичайно важливих з практичної точки зору структур є фотонно-кристалічні оптичні волокна. Вони вперше були виготовлені з набору скляних капілярів, зібраних у щільну пачку, яка потім зазнавала звичайної витяжки. В результаті вийшло оптоволокно, що містить регулярно розташовані отвори з характерним розміром близько 1 мкм. Надалі були отримані оптичні фотонно-кристалічні світловоди різноманітної конфігурації та з різними властивостями (рис. 9).
В Інституті радіотехніки та електроніки та в Науковому центрі волоконної оптики РАН було розроблено новий метод свердління для створення фотонно-кристалічних світловодів. Спочатку в кварцовій товстій заготівлі просвердлювалися механічні отвори з будь-якою матрицею, а потім заготівля піддавалася витяжці. В результаті було отримано фотонно-кристалічний волокно високої якості. У таких світловодах легко створювати дефекти різноманітної форми та розміру, так що в них можна збуджувати одночасно кілька мод світла, частоти яких лежать у забороненій зоні фотонного кристала. Дефекти, зокрема, можуть мати вигляд пустотілого каналу, так що світло поширюватиметься не в кварці, а по повітрю, що може суттєво знизити втрати на довгих ділянках фотонно-кристалічних світловодів. Поширення видимого та інфрачервоного випромінювання у фотонно-кристалічних світловодах супроводжується різноманітними фізичними явищами: комбінаційним розсіюванням, змішуванням гармонік, генерацією гармонік, що зрештою призводить до генерації суперконтинууму.
Не менш цікаві, з погляду дослідження фізичних ефектів та можливих застосувань, одно- та двовимірні фотонні кристали. Строго кажучи, ці структури є фотонними кристалами, проте можуть вважатися такими при поширенні електромагнітних хвиль у певних напрямах. Типовий одномірний фотонний кристал - це багатошарова періодична структура, що складається з шарів принаймні двох речовин з показниками заломлення, що сильно розрізняються. Якщо електромагнітна хвиля поширюється вздовж нормалі, у такій структурі виникає заборонена зона для певних частот. Якщо один із шарів структури замінити речовиною з відмінним від інших показником заломлення або змінити товщину одного шару, такий шар буде дефектом, здатним захопити хвилю, частота якої знаходиться в забороненій зоні.
Наявність магнітного дефектного шару в діелектричній немагнітній структурі призводить до багаторазового збільшення фарадіївського обертання хвилі при поширенні в такій структурі та посилення оптичної прозорості середовища.
Взагалі кажучи, присутність магнітних шарів у фотонних кристалах може істотно змінити їх властивості, насамперед у НВЧ-діапазоні. Справа в тому, що у НВЧ-діапазоні магнітна проникність феромагнетиків у певній смузі частот негативна, що полегшує їх застосування при створенні метаматеріалів. Поєднуючи такі речовини з металевими немагнітними шарами чи структурами, що з окремих провідників чи періодичних структур провідників, можна виготовити структури з негативними значеннями магнітної і діелектричної проникності. Прикладом можуть бути створені в Інституті радіотехніки та електроніки РАН структури, призначені для виявлення "негативного" відображення та заломлення магнітостатичних спінових хвиль. Така структура є плівкою залізо-іттрієвого граната з металевими провідниками на її поверхні. Властивості магнітостатичних спінових хвиль, що розповсюджуються у тонких феромагнітних плівках, сильно залежать від зовнішнього магнітного поля. У випадку один із типів таких хвиль, є зворотної хвилею, отже скалярне твір хвильового вектора на вектор Пойн-тинга цього типу хвиль негативне.
Існування зворотних хвиль у фотонних кристалах обумовлено періодичністю властивостей самого кристала. Зокрема, для хвиль, хвильові вектори яких лежать у першій зоні Бриллюена, може виконуватися умова поширення як для прямих хвиль, а для тих самих хвиль у другій зоні Бріллюена - як для зворотних. Подібно до метаматеріалів, у фотонних кристалах також можуть виявлятися незвичайні властивості в хвилях, що поширюються, наприклад "негативне" заломлення.
Однак фотонні кристали можуть бути тим метаматеріалом, для якого можливе явище "негативного" заломлення не тільки в НВЧ-діапазоні, але і в оптичному діапазоні частот. Експерименти підтверджують факт існування "негативного" заломлення у фотонних кристалах для хвиль з частотами, вище за частоту першої забороненої зони поблизу центру зони Бріллюена. Це зумовлено ефектом негативної групової швидкості і, як наслідок, негативного коефіцієнта заломлення хвилі. Фактично у цій галузі частот хвилі стають зворотними.
Ілля Поліщук, доктор фізико-математичних наук, професор МФТІ, провідний науковий співробітник НДЦ "Курчатівський інститут"
Застосування мікроелектроніки в системах обробки інформації та зв'язку докорінно змінило світ. Не викликає сумнівів, що наслідки буму науково-дослідних робіт у галузі фізики фотонних кристалів та пристроїв на їх основі будуть порівняні за значимістю зі створенням інтегральної мікроелектроніки понад півстоліття тому. Матеріали нового типу дозволять створювати оптичні мікросхеми за "образом і подобою" елементів напівпровідникової електроніки, а принципово нові способи передачі, зберігання та обробки інформації, що відпрацьовуються сьогодні на фотонних кристалах, у свою чергу знайдуть застосування в напівпровідниковій електроніці майбутнього. Не дивно, що ця галузь досліджень — одна з найгарячіших у найбільших світових наукових центрах, високотехнологічних компаніях та на підприємствах військово-промислового комплексу. Росія, звичайно, не є винятком. Більше того, фотонні кристали є предметом ефективної міжнародної співпраці. Як приклад пошлемося на більш ніж десятирічну співпрацю російського ТОВ "Кінтех лаб" із відомою американською фірмою General Electric.
Історія фотонних кристалів
Історично склалося те, що теорія розсіювання фотонів на тривимірних решітках почала інтенсивно розвиватися з області довжин хвиль?~0,01-1 нм, що у рентгенівському діапазоні, де вузлами фотонного кристала є самі атоми. У 1986 році Елі Яблонович з університету Каліфорнії в Лос-Анджелесі висловив ідею створення тривимірної діелектричної структури, подібної до звичайних кристалів, в якій не могли б поширюватися електромагнітні хвилі певної смуги спектра. Такі структури отримали назву фотонних структур із забороненою зоною (photonic bandgap) або фотонних кристалів. Через 5 років такий фотонний кристал був виготовлений шляхом свердління міліметрових отворів у матеріалі з високим показником заломлення. Такий штучний кристал, який згодом отримав назву яблуновіт, не пропускав випромінювання міліметрового діапазону і фактично реалізовував фотонну структуру із забороненою зоною (до речі, до того ж класу фізичних об'єктів можна віднести і фазовані антенні грати).
Фотонні структури, в яких заборонено розповсюдження електромагнітних (зокрема, оптичних) хвиль у певній смузі частот в одному, двох або трьох напрямках, можуть використовуватись для створення оптичних інтегральних пристроїв керування цими хвилями. В даний час ідеологія фотонних структур лежить в основі створення безпорогових напівпровідникових лазерів, лазерів на основі рідкісноземельних іонів, резонаторів з високою добротністю, оптичних хвилеводів, спектральних фільтрів та поляризаторів. Дослідження фотонних кристалів проводиться зараз більш ніж у двох десятках країн, у тому числі й у Росії, і кількість публікацій у цій галузі, як і число симпозіумів та наукових конференцій та шкіл, зростає експоненційно.
Для розуміння процесів, що відбуваються у фотонному кристалі, його можна порівняти з кристалом напівпровідника, а поширення фотонів із рухом носіїв заряду – електронів та дірок. Наприклад, в ідеальному кремнії атоми розташовані в алмазоподібній кристалічній структурі, і, згідно з зонною теорією твердого тіла, заряджені носії, поширюючись по кристалу, взаємодіють з періодичним потенціалом поля атомних ядер. Це є причиною утворення дозволених та заборонених зон — квантова механіка забороняє існування електронів з енергіями, що відповідають енергетичному діапазону, що називається забороненою зоною. Аналогічно звичайним кристалам, фотонні кристали містять високосиметричну структуру елементарних осередків. Причому, якщо структура звичайного кристала визначається положеннями атомів у кристалічній решітці, структура фотонного кристала визначається періодичною просторовою модуляцією діелектричного постійного середовища (масштаб модуляції порівняний з довжиною хвилі взаємодіючого випромінювання).
Фотонні провідники, ізолятори, напівпровідники та надпровідники
Продовжуючи аналогію, фотонні кристали можна розділити на провідники, ізолятори, напівпровідники та надпровідники.
Фотонні провідники мають широкі дозволені зони. Це прозорі тіла, у яких світло пробігає велику відстань, практично не поглинаючись. Інший клас фотонних кристалів — фотонні ізолятори — має широкі заборонені зони. Такій умові задовольняють, наприклад, широкодіапазонні багатошарові діелектричні дзеркала. На відміну від звичайних непрозорих середовищ, у яких світло швидко згасає, перетворюючись на тепло, фотонні ізолятори світло не поглинають. Що ж до фотонних напівпровідників, то вони мають вужчі порівняно з ізоляторами забороненими зонами.
Хвилярі на основі фотонних кристалів використовуються для виготовлення фотонного текстилю (на фотографіях). Такий текстиль тільки з'явився, і навіть область застосування до кінця ще не усвідомлена. З нього можна виготовити, наприклад, інтерактивний одяг, а можна м'який дисплей
Фото: emt-photoniccrystal.blogspot.com
Незважаючи на те, що ідея фотонних зон та фотонних кристалів утвердилася в оптиці лише за останні кілька років, властивості структур із шаруватим зміною коефіцієнта заломлення давно відомі фізикам. Одним із перших практично важливих застосувань таких структур стало виготовлення покриттів з унікальними оптичними характеристиками, що застосовуються для створення високоефективних спектральних фільтрів та зниження небажаного відображення від оптичних елементів (така оптика отримала назву просвітленої) та діелектричних дзеркал із коефіцієнтом відображення, близьким до 100%. Як інший добре відомий приклад 1D-фотонних структур можна згадати напівпровідникові лазери з розподіленим зворотним зв'язком, а також оптичні хвилеводи з періодичною поздовжньою модуляцією фізичних параметрів (профілю або коефіцієнта заломлення).
Що ж до звичайних кристалів, то природа нам дарує їх дуже щедро. А фотонні кристали в природі — велика рідкість. Тому, якщо хочемо використовувати унікальні властивості фотонних кристалів, ми змушені розробити різні методи їх вирощування.
Як виростити фотонний кристал
Створення тривимірного фотонного кристала у видимому інтервалі довжин хвиль залишається протягом останніх десяти років однією з першочергових завдань матеріалознавства, для вирішення якої більшість дослідників зосередилися на двох різних підходах. В одному з них використовується метод затравного шаблону (template) – темплатний метод. У цьому вся методі створюються передумови для самоорганізації синтезованих наносистем. Другий метод – нанолітографія.
Серед першої групи методів найбільшого поширення набули такі, які як темплати для створення твердих тілз періодичною системою пір використовують монодисперсні колоїдні сфери. Ці методи дозволяють отримати фотонні кристали на основі металів, неметалів, оксидів, напівпровідників, полімерів і т.д. На першому етапі, близькі за розмірами колоїдні сфери рівномірно "упаковують" у вигляді тривимірних (іноді двомірних) каркасів, які надалі виступають як темплати аналогом природного опала. На другому етапі порожнечі в темплатній структурі просочують рідиною, яка згодом при різних фізико-хімічних впливах перетворюється на твердий каркас. Іншими методами заповнення речовиною порожнеч темплати є або електрохімічні методи, або метод CVD (Chemical Vapor Deposition - осадження з газової фази).
На останньому етапі темплат (колоїдні сфери) видаляють, використовуючи залежно від його природи процеси розчинення або термічного розкладання. Отримувані структури часто називають зворотними репліками вихідних колоїдних кристалів або "зворотними опалами".
Для практичного використання бездефектні ділянки у фотонному кристалі не повинні перевищувати 1000 мкм2. Тому проблема впорядкування кварцових та полімерних сферичних частинок є однією з найважливіших під час створення фотонних кристалів.
У другій групі методів однофотонна фотолітографія та двофотонна фотолітографія дозволяють створювати тривимірні фотонні кристали з роздільною здатністю 200нм та використовує властивість деяких матеріалів, таких як полімери, які чутливі до одно- та двофотонного опромінення та можуть змінювати свої властивості під впливом цього випромінювання. Літографія за допомогою пучка електронів є дорогим, але вискочним методом для виготовлення двовимірних фотонних кристалів. У цьому методі фоторезист, який змінює свої властивості під дією пучка електронів, опромінюється пучком у певних місцях для формування просторової маски. Після опромінення, частина фоторезиста змивається, а частина, що залишилася, використовується як маска для травлення в подальшому технологічному циклі. Максимальна роздільна здатність цього методу - 10нм. Літографія за допомогою пучка іонів схожа за своїм принципом, тільки замість електронного пучка використовується пучок іонів. Переваги літографії за допомогою пучка іонів над електронною літографією полягають у тому, що фоторезист є більш чутливим до пучок іонів, ніж електронів і відсутній "ефект близькості" (proximity effect), який обмежує мінімально можливий розмір області при літографії за допомогою пучка електронів.
Згадаємо також інші способи вирощування фотонних кристалів. До них належать методи мимовільного формування фотонних кристалів, методи травлення, голографічні методи.
Фотонне майбутнє
Займатися пророкуваннями так само небезпечно, як привабливо. Проте прогнози про майбутнє фотонно-кристалічних пристроїв дуже оптимістичні. Область використання фотонних кристалів практично невичерпна. В даний час на світовому ринку вже з'явилися (або з'являться найближчим часом) пристрої або матеріали, що використовують унікальні особливості фотонних кристалів. Це лазери з фотонними кристалами (низькопорогові та безпорогові лазери); хвилеводи, засновані на фотонних кристалах (вони компактніші і мають меншими втратами проти звичайними волокнами); матеріали з негативним показником заломлення, що дають можливість фокусувати світло на точку розмірами менше довжини хвилі; мрія фізиків – суперпризми; оптичні запам'ятовуючі та логічні пристрої; дисплеї на основі фотонних кристалів Фотонні кристали здійснюватимуть і маніпуляцію кольором. Вже розроблений крупноформатний дисплей, що гнеться, на фотонних кристалах з високим спектральним діапазоном - від інфрачервоного випромінювання до ультрафіолетового, в якому кожен піксель являє собою фотонний кристал - масив крем'яних мікросфер, що розташовуються в просторі строго певним чином. Створюються фотонні суперпровідники. Такі суперпровідники можуть застосовуватися для створення оптичних датчиків температури, які, у свою чергу, працюватимуть з більшими частотами та поєднуються з фотонними ізоляторами та напівпровідниками.
Людина ще планує технологічне використання фотонних кристалів, а морська миша (Aphrodite aculeata) вже давно застосовує їх на практиці. Хутро цього черв'яка має настільки яскраво виражене явище іризації, що здатне селективно відображати світло з ефективністю, близькою до 100% у всій видимій області спектру — від червоної до зеленої та блакитної. Такий спеціалізований "бортовий" оптичний комп'ютер допомагає виживати цьому хробакові на глибині до 500 м. Можна достовірно стверджувати, що людський інтелект піде значно далі у використанні унікальних властивостей фотонних кристалів.
Ідея фотоніки нанорозмірних структур та фотонних кристалів народилася під час аналізу можливості створення оптичної зонної структури. Передбачалося, що в оптичній зонній структурі, як і напівпровідникової зонної структури, повинні існувати дозволені та заборонені стани для фотонів з різними енергіями. Теоретично була запропонована модель середовища, в якій як періодичний потенціал грати використовувалися періодичні зміни діелектричної проникності або показника заломлення середовища. Так, було запроваджено поняття «фотонна заборонена зона» у «фотонному кристалі».
Фотонний кристалє надрешіткою, в якій штучно створено поле, і період його на порядки перевищує період основної решітки. Фотонний кристал - це напівпрозорий діелектрик з певною періодичною структурою та унікальними оптичними властивостями.
Періодична структура формується з дрібних отворів, які періодично змінюють діелектричну константу р. Діаметр цих отворів такий, що через них проходять світлові хвилі певної довжини. Усі інші хвилі поглинаються чи відбиваються.
Утворюються фотонні зони, у яких фазова швидкість поширення світла залежить від е. У кристалі світло поширюється когерентно і з'являються заборонені частоти, залежні від напряму поширення. Бреггівська дифракція для фотонних кристалів має місце в оптичному діапазоні довжин хвиль.
Такі кристали отримали назву матеріалів з забороненою фотонною зоною (МФЗЗ). З погляду квантової електроніки, у таких активних середовищах не виконується закон Ейнштейна для індукованого випромінювання. Відповідно до цього закону швидкості індукованого випромінювання та поглинання рівні та сума збуджених N 2і не збуджений-
них атомів JV, становить А, + N. = N.Тоді чи 50%.
У фотонних кристалах можлива 100% інверсія населеності рівнів. Це дозволяє зменшити потужність накачування, знизити непотрібний натрій кристала.
Якщо на кристал впливати звуковими хвилями, то довжина світлової хвилі та напрямок руху світлової хвилі, характерне для кристала, може змінюватися. Відмінною властивістю фотонних кристалів є пропорційність коефіцієнта відображення Rсвітла в довгохвильовій частині спектру його квадрату частоти з 2 , а не як для релеєвського розсіювання R~ з 4 . Короткохвильова компонента оптичного спектра описується законами геометричної оптики.
При промисловому створенні фотонних кристалів необхідно знайти технологію створення тривимірних надграток. Це дуже непросте завдання, оскільки стандартні прийоми реплікування з використанням методів літографії є неприйнятними для створення ЗО-наноструктур.
Увагу дослідників привернув благородний опал (рис. 2.23). Це мінерал Si() 2? п 1,0 підкласу гідроксидів. У природних опалах порожнечі глобул заповнені кремнеземом та молекулярною водою. Опали з погляду наноелектроніки є щільноупаковані (переважно за кубічним законом) наносфери (глобули) кремнезему. Як правило, діаметр наносфер лежить у межах 200-600 нм. Упаковка глобул кремнезему утворює тривимірну решітку. Такі надгратки містять структурні порожнечі розмірами 140-400 їм, які можуть бути заповнені напівпровідниковими, оптично активними, магнітними матеріалами. В опалоподібній структурі можна створити тривимірну решітку з наномасштабною структурою. Оптична опала матрична структураможе бути ЗЕ)-фотонним кристалом.
Розроблено технологію окисленого макропористого кремнію. На основі цього технологічного процесу створено тривимірні структури у вигляді штирів із діоксиду кремнію (рис. 2.24).
У цих структурах виявили заборонені фотонні зони. Параметри заборонених зон можна змінювати на етапі літографічних процесів або заповнення штирьової структури іншими матеріалами.
На основі фотонних кристалів розроблено різні конструкції лазерів. Інший клас оптичних елементів на основі фотонних кристалів фотонно-кристалічні волокна(ФКВ). У них є
Мал. 2.23.Структура синтетичного опала (а)та природні опали (б)"
" Джерело: Гудилін Є. А.[та ін.]. Багатство Наномір. Фоторепортаж із глибин речовини; за ред. Ю. Д. Третьякова. М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010
Мал. 2.24.
заборонена зона у заданому діапазоні довжин хвиль. На відміну від звичайних волоконних світловодів у волокнах з фотонною забороненою зоною можна зрушувати довжину хвилі нульової дисперсії у видиму область спектра. У цьому забезпечуються умови для солітонних режимів поширення видимого світла.
Зміною розмірів повітряних трубок і розміру серцевини можна збільшити концентрацію потужності світлового випромінювання, нелінійні властивості волокон. Змінюючи геометрію волокон та оболонки, можна отримати оптимальне поєднання сильної нелінійності та малої дисперсії у потрібному діапазоні довжин хвиль.
На рис. 2.25 представлені ФКВ. Вони поділяються на два типи. До першого типу віднесемо ФКВ із суцільною світлознавчою житловою. Конструктивно таке волокно виконано у вигляді серцевини з кварцового скла в оболонці фотонного кристала. Хвильові властивості таких волокон забезпечуються як ефектом повного внутрішнього відображення, і зонними властивостями фотонного кристала. Тому в таких волокнах широкому спектральному діапазоні поширюються моди нижчого порядку. Моди високого порядку зсуваються в оболонку і там згасають. В цьому випадку хвилепровідні властивості кристала для мод нульового порядку визначаються ефектом внутрішнього повного відображення. Зонна структура фотонного кристала проявляється лише непрямим чином.
Другий тин ФКВ має порожню світлознавну жилу. Світло може поширюватися як у серцевині волокна, і по оболонці. У серцевині по-
Мал. 2.25.
а -перетин із суцільною світлознавчою житловою;
6 - переріз з порожнистою світлознавною житловою локна показник заломлення менше, ніж середній показник заломлення оболонки. Це дозволяє значно збільшити потужність випромінювання, що транспортується. В даний час створено волокна, що мають втрати 0,58 дБ/км на довжині хвилі. X = 1,55 мкм, що близько значення втрат у стандартному одномодовому волокні (0,2 дБ/км).
Серед інших переваг фотонно-кристалічних волокон зазначимо такі:
- одномодовий режим для всіх розрахункових довжин хвиль;
- широкий діапазон зміни плям основної моди;
- постійне та високе значення коефіцієнта дисперсії для довжин хвиль 1,3-1,5 мкм та нульова дисперсія для довжин хвиль у видимому спектрі;
- керовані значення поляризації, дисперсії групової швидкості, спектр пропускання.
Волокна з фотонно-кристалічної оболонкою знаходять широке застосування вирішення проблем оптики, лазерної фізики і особливо у системах телекомунікацій. Останнім часом інтерес викликають різні резонанси, що у фотонних кристалах. Поляритонні ефекти у фотонних кристалах мають місце при взаємодії електронних та фотонних резонансів. При створенні метало-діелектричних наноструктур з періодом набагато менше оптичної довжини хвилі можна реалізувати ситуацію, за якої одночасно виконуватимуться умови г
Дуже значним продуктом розвитку фотоніки є телекомунікаційні волоконно-оптичні системи. В основі їх функціонування лежать процеси електрооітичного перетворення інформаційного сигналу, передачі модульованого оптичного сигналу па оптоволоконному світловоді та зворотному оптико-електронному перетворенні.
