История создания и исследования фотонных кристаллов

автор: Вставская Анастасия Ивановна ВМ-ФизИ-5-1

Руководитель: Холодова Светлана Николаевна

Доцент кафедры математики, физики и методики их преподавания, кандидат педагогических наук. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Армавирский государственный педагогический университет»

История создания и исследования фотонных кристаллов

История создания и исследования фотонных кристаллов

1. Фотонные кристаллы ─ это…
2. Первые открытия и исследования.
3. Классификация фотонных кристаллов.
4. Создание.
5. Применение.

• Фотонные кристаллы ─ это…

Фотонный кристалл — твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света.

• Это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях.
• В другой работе встречается расширенное определение фотонных кристаллов — «фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света».
• В третьей работе встречается определение фотонных кристаллов в иной форме — «уже более 10 лет на слуху „структуры с фотонной запрещённой зоной“, которые получили краткое название фотонные кристаллы (photonic crystals)».
• Фотонные кристаллы — пространственно-периодические твердотельные структуры, диэлектрическая проницаемость которых промодулирована с периодом, сравнимым с длиной волны света.

Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. Другими словами, фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра, и именно его свойствами обусловлены яркие и красочные цвета опалов используемых в украшениях. 

• Первые открытия и исследования.

Ученые из Даугавпилсского университета в ходе экспериментов под эгидой Фонда Междисциплинарной Группы Исследований Биоризации открыли особую наноструктуру фотонов, которая получила наименование фотонных кристаллов. Результаты были получены после серии исследований строения чешуи жуков-долгоносиков. Обнаруженные наноструктуры обладают специфическими светоотражающими свойствами, что подпитывает интерес научного сообщества – как с практической точки зрения, так и с точки зрения фундаментального знания.

Как отметил руководитель исследовательской группы, Алисе Грике, подобные нанострутуры ранее наблюдались в телах экзотических жуков и бабочек. В природе фотонные кристаллы также встречаются: на крыльях африканских бабочек-парусников (Papilio nireus), перламутровое покрытие раковин моллюсков, таких, как галиотисы, усики морской мыши и щетинки многощетинкового червя. Однако, теперь совершенно очевидно, что фотонные кристаллы имеют куда большее распространение в мире живой природы. Интерес к фотонным кристаллам обусловлен, в первую очередь, возможностью их практического применения ввиду уникальных оптических свойств этих структур. Во время исследований физики Даугавпилсского университета параллельно открыли 63 вида новых насекомых, а также разработали методику извлечения неповрежденного ДНК из сухого образца.

Изучая структуру чешуи жуков-долгоносиков, ученые попытались найти пути практического применения новых материалов. Так, на основе фотонных кристаллов были разработаны опытные образцы отражающих поверхностей и голограмм. Например, голограмма, созданная с учетом особенностей строения глаз насекомых, может обеспечить надежную защиту товара от подделки или же послужить элементом дизайна. Отражающие поверхности на фотонных кристаллах обладают меньшей степенью отражения света, поэтому такие элементы в перспективе можно применять в области солнечной энергетики.

Первоначально целью исследований, начавшихся в 2009 году, было изучение процессов иризации, то есть процессов, из-за которых проявляется радужная игра света. Иризация подробно изучалась на природных образцах – поверхностях жуков. Исследования велись с помощью методики спектроскопии и оптики, после чего велось компьютерное моделирование наблюдений и запись данных, что позволило позже отойти от основной цели и заняться изучением обнаруженных структур – фотонных кристаллов.

В ходе исследовательской работы внутри Даугавпилсского университета была создана междисциплинарная группа ученых, занимающаяся изучением новых явлений в биологии и физике. Такое ответвление понадобится для подготовки высококлассных специалистов, которые смогут внести существенный вклад в фундаментальную науку и развитие нанотехнологий.

• Классификация фотонных кристаллов. 

В зависимости от количества направлений, в которых наблюдается та или иная периодичность, выделяют одно-, двух-, и трехмерные фотонные кристаллы. В одномерных фотонных кристаллах (рис. 3) слои с разными коэффициентами преломления располагаются параллельно друг к другу, при этом чередуясь. Представляя данное расположение в прямоугольной системе координат XYZ, можно говорить о том, что плоскость XY дублируется вдоль оси Z через определенный промежуток n-ое количество раз. Свои свойства фотонные кристаллы в этом случае проявляют только в перпендикулярном слоям направлении. В природе одномерной структурой обладают моллюски галиотисы, раковины которых имеют перламутровый слой. Также примером одномерной структуры служит дифракционная решетка.

В двухмерных фотонных кристаллах (рис. 4) изменение коэффициента преломления соответственно происходит в двух направлениях. Плоскости перпендикулярны друг к другу по двум осям координат, при этом между образующимися параллельными плоскостями остается пространство, которое располагает иным коэффициентом преломления. Такое расположение в прямоугольной системе координат XYZ можно описать следующим образом: плоскость YZ дублируется вдоль оси X через определенный промежуток n-ое количество раз, и в это же время, пересекая плоскости YZ…YZn, плоскость XZ дублируется вдоль оси Y через определенный промежуток так же n-ое количество раз. В природе двухмерная структура наблюдается в щетинках морской мыши (полихета).

В трехмерных фотонных кристаллах (рис. 5) коэффициент преломления изменяется соответственно в трех направлениях пространства. В системе координат XYZ перпендикулярными друг к другу являются три плоскости: к двухмерному расположению, описанному выше, добавляется плоскость XY, дублируемая вдоль оси Z n-ое количество раз. Трехмерная структура в природе встречается на крыльях бабочек-парусников и в драгоценном камне опале. Данная структура создает ситуацию, при которой фотон не имеет возможности проникнуть внутрь фотонного кристалла. Однако, переигрывая создавшуюся ситуацию, можно предположить, что подобный фотон, но уже возникший внутри фотонного кристалла, не сможет из него выйти, из-за явления дифракции. Фотон оказывается «пойманным» внутри фотонного кристалла.

При помощи магнитного поля можно искусственно варьировать ширину разрешенных и запрещенных фотонных зон, что позволяет добиваться различного поведения свойств фотонных кристаллов, получая от способности проведения света на большие расстояния до создания почти совершенных зеркал.

1. Создание.

В настоящее время существует множество методов изготовления фотонных кристаллов, и новые методы продолжают появляться. Некоторые методы больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов, другие удобны в отношении двумерных, третьи применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам, четвёртые используются при изготовлении фотонных кристаллов на других оптических устройствах и т. д. Рассмотрим наиболее известные из этих методов.

Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов

При самопроизвольном формировании фотонных кристаллов используются коллоидные частицы (чаще всего используются монодисперсные кварцевые или полистирольные частицы, но и другие материалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработки технологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мере испарения жидкости осаждаются в некотором объёме. По мере их осаждения друг на друга, они формируют трёхмерный фотонный кристалл, и упорядочиваются преимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллические решетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалла может занять недели.

Другой метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом, предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы, через маленькие поры. Этот метод представлен в работах, позволяет сформировать фотонный кристалл со скоростью, определённой скоростью течения жидкости через поры, но при высыхании такого кристалла образуются дефекты в кристалле.

В работе был предложен метод вертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченные фотонные кристаллы большего размера, чем позволяют получить вышеописанные методы.

Выше уже отмечалось, что в большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления в фотонном кристалле для получения запрещённых фотонных зон во всех направлениях. Упомянутые выше методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла чаще всего применялись для осаждения сферических коллоидных частиц диоксида кремния, коэффициент преломления которого относительно мал, а значит мал и контраст коэффициента преломления. Для увеличения этого контраста, используется дополнительные технологические шаги (инвертирование), на которых сначала пространство между частицами заполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицы вытравливаются. Пошаговый метод формирования инверсного опала описан в методическом указании по выполнению лабораторной работы.

Методы травления

Методы травления наиболее удобны для изготовления двухмерных фотонных кристаллов и являются широко используемыми технологическими методами при производстве полупроводниковых приборов. Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (которая задаёт, например, массив окружностей), осаждённой на поверхности полупроводника, которая задаёт геометрию области травления. Эта маска может быть получена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которым следует травление сухим или влажным методом поверхности образца с фоторезистом. При этом, в тех областях, в которых находится фоторезист, происходит травление поверхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста — травление полупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления не будет достигнута и после этого фоторезист смывается. Таким образом формируется простейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использование фотолитографии, наиболее распространённое разрешение которой составляет порядка одного микрона. Как было показано выше в этой статье, фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка сотен нанометров, поэтому использование фотолитографии при производстве фотонных кристаллов с запрещёнными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса. Тем не менее фотолитография используется, например в работе. Чаще всего, для достижения нужного разрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса с литографией при помощи электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чаще всего ионов Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методом травления, они позволяют удалять часть материала без использования фотолитографии и дополнительного травления. Современные системы, использующие сфокусированные ионные пучки, используют так называемую «карту травления», записанную в специального формата файлы, которая описывает, где пучок ионов будет работать, сколько импульсов ионный пучок должен послать в определённую точку и т. д. Таким образом, создание фотонного кристалла при помощи таких систем максимально упрощено — достаточно создать такую «карту травления» (при помощи специального программного обеспечения), в которой будет определена периодическая область травления, загрузить её в компьютер, управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесс травления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения материалов внутри вытравленных областей используются дополнительные газы. Материалы, осаждённые в вытравленные области, позволяют формировать фотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материала и воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов. Пример осаждения материалов при помощи данных систем можно найти в источниках.

Голографические методы

Голографические методы создания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, для формирования периодического изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух или более когерентных волн, которая создаёт периодическое распределение интенсивности электрического поля. Интерференция двух волн позволяет создавать одномерные фотонные кристаллы, трёх и более лучей — двухмерные и трёхмерные фотонные кристаллы.

Другие методы создания фотонных кристаллов

Однофотонная фотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трёхмерные фотонные кристаллы с разрешением 200нм и использует свойство некоторых материалов, таких как полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонному облучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения. Литография при помощи пучка электроновявляется дорогим, но высокоточным методом для изготовления двумерных фотонных кристалловВ этом методе, фоторезист, который меняет свои свойства под действием пучка электронов облучается пучком в определённых местах для формирования пространственной маски. После облучения, часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как маска для травления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этого метода — 10нм. Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу, только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимущества литографии при помощи пучка ионов над литографией при помощи пучка электронов заключаются в том, что фоторезист более чувствителен к пучкам ионов, чем электронов и отсутствует «эффект близости» («proximity effect»), который ограничивает минимально возможный размер области при литографии при помощи пучка электронов.

1. Применение.

Распределённый брэгговский отражатель является уже широко используемым и известным примером одномерного фотонного кристалла.

С фотонными кристаллами связывают будущее современной кибернетики. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:

Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры;

Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями;

С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);

Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создавать суперпризмы;

Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;

Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение устройств оптической памяти и логических устройств;

Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определённых температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры, способных работать с большими частотами и совмещаться с фотонными изоляторами и полупроводниками.