Fotonski kristal

Iz MaFiRaWiki

Fotónski kristali so snovi, katerih lomni količnik se periodično spreminja. Perioda strukture fotonskega kristala je primerljiva z valovno dolžino svetlobe in znaša od ~200 nanometrov za modro svetlobo do več mikrometrov za infrardeče valovanje. Ker ima njihova struktura podoben vpliv na gibanje fotonov, kot ga ima periodičnost polprevodniškega kristala na elektrone, jih poimenujemo fotonski kristali, kljub temu, da nimajo nujno kristalne strukture. Fotonske kristale najdemo tudi v naravi, na primer opal ali v krilih nekaterih metuljev, ki kažejo iridiscenčne lastnosti.


Vsebina

Uvod

Fotonski kristali so sestavljeni iz periodičnih dielektričnih ali kovinsko-dielektričnih nanostruktur in vsebujejo pravilno ponavljajoča se območja z večjo in manjšo dielektrično konstanto. Sestava vpliva na širjenje elektromagnetnega (EM) valovanja podobno, kot periodični potencial v polprevodniškem kristalu vpliva na gibanje elektronov, kjer se tvorijo dovoljeni in prepovedani elektronski energijski pasovi. Fotoni, z valovno dolžino v dovoljenem pasu, se po kristalu lahko razširjajo, tisti, katerih valovna dolžina je v prepovedanem pasu, pa ne. To vodi do zanimivih optičnih lastnosti in možnosti uporabe, na primer pri izdelavi izredno ozkopasovnih optičnih filtrov.

Zgodovina

Začetki raziskav fotonskih kristalov sodijo v leto 1887, ko je Lord Rayleigh proučeval večslojne dielektrične strukture in opazil, da so taki sistemi za določene valovne dolžine, ki so primerljive s periodo strukture, neprepustni oziroma odbojni. Kasneje so raziskave skoraj zamrle, dokler nista Eli Yablonovitch in Sajeev John natanko sto let kasneje, leta 1987 objavila dve prelomni deli in tudi vpeljala ime fotonski kristal. Glavni cilj Yablonovitcha je bil skonstruirati fotonsko gostoto stanj, da bi lahko tako vplival na spontano emisijo snovi, vgrajenih v fotonski kristal. Po letu 1987 je število objav na temo fotonskih kristalov začelo izjemno naraščati. Zaradi težav pri izdelavi takih struktur so bile prve objave večinoma teoretične, ali pa so izdelovali fotonske kristale v mikrovalovnem območju, kjer je perioda struktur fotonskega kristala reda velikosti centimetra.

Leta 1991 je tako Yablonovitch pokazal obstoj tridimenzionalnega fotonskega prepovedanega pasu v mikrovalovnem območju. Prvo demonstracijo dvodimenzionalnega fotonskega kristala za vidno svetlobo je izvedel Thomas Krauss leta 1996. Dve leti kasneje, leta 1998, je Philip Russell uporabil fotonske kristale za izdelavo optičnih vlaken.

Izdelava tridimenzionalnih fotonskih kristalov za vidno območje je bistveno zahtevnejša od izdelave dvodimenzionalnih, saj ni tehnologij v polprevodniški industriji, ki bi se jih dalo direktno uporabiti. Vendar so kljub temu uspeli prikazati nekaj kar naprednih primerov. Na primer izdelava struktur oblike „skladovnice drv“, ki so bile narejene kot ravninske z dodajanjem slojev enega na drugega. Druga vrsta je z uporabo samo-sestave tridimenzionalnih fotonskih struktur. V tem primeru gre za dielektričnih kroglic, ki se iz tekočine posedejo v tridimenzionalno periodično strukturo.

Danes se take strukture uporablja v širokem spektru naprav: od reflektivnih namazov za povečanje učinkovitosti LED svetil, do visoko odbojnih zrcal v nekaterih laserskih votlinah.

Izzivi pri izdelavi

Glavni izziv pri izdelavi večdimenzionalnih fotonskih kristalov sta natančnost izdelave, saj izgube pri sipanju ne smejo zasenčiti kristalnih lastnosti, ter iznajdba procesa, ki bi omogočal masovno proizvodnjo. Za izdelavo dvodimenzionalnih fotonskih kristalov je obetajoča metoda izdelave fotonsko kristalnih vlaken, kot so „luknjasta vlakna“. Če vlakna izdelamo z metodo vlečenja vlaken, kakršna se uporablja pri izdelavi komunikacijskih vlaken, sta izpolnjena oba pogoja in fotonska kristalna vlakna so komercialno dostopna. Druga obetajoča metoda izdelave dvodimenzionalnih fotonskih kristalov je tako imenovana fotonsko kristalna rezina. Te strukture sestavlja rezina materiala (recimo silicija), ki se da oblikovati z uporabo tehnik, razvitih za polprevodniško industrijo. S takimi čipi bi lahko združili fotonsko in elektronsko procesiranje na enem čipu.

Za izdelavo tridimenzionalnih fotonskih kristalov se uporablja več tehnik. Med drugimi tehnike fotolitografije in jedkanja, ki se uporabljajo za integrirana vezja. Da bi zaobšli nanotehnološke postopke z njihovo zapleteno mehanizacijo, so preizkusili metodo samo-sestave fotonskih kristalov iz koloidnih kristalov.

Uporaba

Fotonske kristale v splošnem uporabimo za nadzorovano upravljanje curka svetlobe dane valovne dolžine. Enodimenzionalni fotonski kristali se že na široko uporabljajo za odbojne plasti na lečah in zrcalih ter za barve in črnila, ki spreminjajo barvo. Prva komercialna uporaba dvodimenzionalnih fotonskih kristalov je v obliki fotonsko kristalnih optičnih vlaken, katerih mikrostruktura zadržuje svetlobo s korenito drugačnimi lastnostmi v primerjavi z navadnimi optičnimi vlakni. Tridimenzionalni fotonski kristali so še daleč od komercialne uporabe, toda nudijo dodatne lastnosti, ki bi lahko vodile do novih konceptov (recimo optični računalniki).

Osebna orodja