Cristal fotonic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În optică și în microfotonică, cristalul fotonic înseamnă o structură în care indicele de refracție are o modulație periodică pe scale comparabile cu lungimea de undă a luminii sau, mai general, a unei radiații electromagnetice . Această modulație periodică a indicelui poate fi obținută alternând, într-una sau mai multe dimensiuni, materiale diferite sau aceleași, dar cu o porozitate diferită și, prin urmare, un indice de refracție diferit. Acest lucru conferă cristalelor fotonice proprietăți optice analoage cu proprietățile de conducere electrică ale cristalelor . În special, cristalele fotonice pot avea o distanță de bandă similară cu cea a semiconductoarelor .

Istoria cristalelor fotonice

Cristalele fotonice au fost studiate într-o formă sau alta încă din 1887, dar nimeni nu a folosit termenul de „cristal fotonic” până peste 100 de ani mai târziu - Eli Yablonovitch și Sajeev John au publicat două lucrări esențiale despre cristalele fotonice în 1987. [1] [2 ] Istoria antică este bine documentată sub forma unei povești când a fost identificată ca fiind una dintre cele mai importante dezvoltatoare în fizică de către Societatea Americană de Fizică . [3]

Înainte de 1987, cristalele fotonice unidimensionale sub formă de stive dielectrice periodice multistrat (cum ar fi oglinda Bragg) au fost studiate pe larg. Lordul Rayleigh și-a început studiul în 1887, [4] arătând că astfel de sisteme au o bandă fotonică unidimensională, o gamă spectrală de reflectivitate ridicată, cunoscută sub numele de bandă stop . Astăzi, astfel de structuri sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, de la acoperiri reflectorizante până la îmbunătățirea eficienței LED-urilor până la oglinzi foarte reflectorizante în anumite cavități laser (a se vedea, de exemplu, VCSEL ). Un studiu teoretic detaliat al structurilor optice unidimensionale a fost realizat de Vladimir P. Bykov, [5] care a fost primul care a studiat efectul unei band-gap fotonice asupra emisiilor spontane de la atomi și molecule încorporate în structura fotonică. Bykov a speculat și despre ce s-ar putea întâmpla dacă ar fi utilizate structuri optice periodice bidimensionale sau tridimensionale. [6] Conceptul de cristale fotonice tridimensionale a fost apoi discutat de Ohtaka în 1979, [7] care a dezvoltat, de asemenea, un formalism pentru calcularea structurii benzii fotonice. Cu toate acestea, aceste idei nu au decolat decât după publicarea a două lucrări esențiale în 1987 de către Yablonovitch și John. Ambele documente priveau structuri optice periodice de înaltă dimensiune, adică cristale fotonice. Scopul principal al lui Yablonovitch a fost de a proiecta densitatea fotonică a stărilor pentru a controla emisia spontană a materialelor încorporate în cristalul fotonic. Ideea lui John era să folosească cristale fotonice pentru a influența localizarea și controlul luminii.

După 1987, numărul lucrărilor de cercetare referitoare la cristalele fotonice a început să crească exponențial. Cu toate acestea, datorită dificultății fabricării acestor structuri pe scări optice (a se vedea Provocarea fabricării), primele studii au fost teoretice sau în regim de microunde, unde cristalele fotonice pot fi construite pe scara centimetrică mai accesibilă. (Acest fapt se datorează unei proprietăți a câmpurilor electromagnetice cunoscută sub numele de invarianță a scării: în esență, câmpurile electromagnetice, ca soluții la ecuațiile lui Maxwell , nu au o scară de lungime naturală, deci soluțiile pentru structura scării centimetrice în frecvențele microundelor sunt aceleași cu cele de pe nanoscala la frecvențe optice.)

În 1991, Yablonovitch a demonstrat primul spațiu tridimensional de bandă de fotoni în regimul de microunde. [8]

În 1996 Thomas Krauss a demonstrat un cristal fotonic bidimensional la lungimi de undă optice. Acest lucru a deschis calea producției de cristale fotonice în materiale semiconductoare prin împrumutarea metodelor de la industria semiconductoarelor.

Astăzi, astfel de tehnici utilizează plăci de cristal fotonic, care sunt cristale fotonice bidimensionale „gravate” în plăci semiconductoare. Reflecția internă totală limitează lumina la placă și permite efecte de cristal fotonic, cum ar fi ingineria împrăștierii fotonului în placă.

Calculul structural al cristalului fotonic

Spațiul dintre banda fotonică (PBG) este în esență spațiul dintre linia aeriană și linia dielectrică în relația de dispersie a sistemului PBG. Pentru a proiecta sisteme de cristale fotonice, este esențial să proiectați poziția și dimensiunea bandgap-ului prin modelare computerizată utilizând una dintre următoarele metode:

O simulare video a forțelor și câmpurilor de împrăștiere într-o structură de cristal fotonic [9]
  • Metoda de expansiune a undei plane
  • Metoda elementului finit
  • Metoda FDTD
  • metoda spectrală de ordine n [10] [11]
  • Metoda KKR (aproximare a brioșelor)
  • Unda Bloch - metoda MoM
  • Construcția diagramei benzii [12]

În esență, aceste metode rezolvă frecvențele (modurile normale) ale cristalului fotonic pentru fiecare valoare a direcției de propagare dată de vectorul de undă sau invers. Diferitele linii din structura benzii corespund diferitelor cazuri de n , indicele benzii. [13]

Structura benzii unui cristal fotonic 1D, miez de aer DBR calculat utilizând tehnica de expansiune a undei plane cu 101 plane de forfecare, pentru d / a = 0,8 și contrast dielectric de 12 250.

Metoda „expansiunii undei plane” poate fi utilizată pentru a calcula structura benzii utilizând o formulare proprie a ecuațiilor lui Maxwell și apoi rezolvarea frecvențelor autogene pentru fiecare dintre direcțiile de propagare a vectorilor de undă. Se rezolvă direct pentru graficul scatter. Valorile intensității câmpului electric pot fi calculate și pe domeniul spațial al problemei utilizând vectorii proprii ai aceleiași probleme. Pentru imaginea prezentată în dreapta, aceasta corespunde structurii benzii unui reflector 1D distribuit Bragg (DBR) cu un miez de aer întrețesut cu un material dielectric cu permitivitate relativă 12,25 și o perioadă de rețea la raportul de grosime al miezului de aer (d / a) de 0,8, se rezolvă folosind 101 planuri de podea pe prima zonă ireductibilă Brillouin .

Pentru a accelera calculul structurii benzii de frecvență, poate fi utilizată metoda redusă Bloch Mode Expansion (RBME) . [14] Metoda RBME se aplică „deasupra” uneia dintre metodele de expansiune primare menționate mai sus. Pentru modelele cu celule mari, metoda RBME poate reduce timpul de calcul al structurii benzii cu până la două ordine de mărime.

Cristale fotonice în natură

Aripile fluturilor Morpho își datorează albastrul unei microstructuri asemănătoare stupilor asemănătoare cristalelor fotonice.

După inventarea cristalelor fotonice au fost descoperite diferite sisteme naturale care își datorează proprietățile optice unei variații periodice a indicelui lor de refracție și care, prin urmare, pot fi definite ca cristale fotonice naturale . Cel mai frecvent exemplu este opalul , o piatră sedimentară compusă din microsfere de silice și apă în care, în timpul sedimentării, silica se împachetează într-o structură periodică ( cubică cu fețele centrate ). Opalescența caracteristică a culorilor se datorează refracției luminii în structura periodică.

Alte exemple au fost descoperite în lumea animalelor și a plantelor: boabele de pui sau marmură condensate își datorează numele fructelor albastre metalice caracteristice, exemple excelente de oglinzi Bragg [15] ; în același mod, de asemenea, Chamaeleonidae , Polychaeta Aphroditidae (cunoscute în mod obișnuit sub numele de șoarece de mare ) și fluturii din genul Morpho își datorează culorile structurilor organice similare cristalelor fotonice [16] [17] [18] .

Caracteristici și aplicații

Cristale fotonice 1D

Imagine SEM a unei oglinzi dielectrice decupate de pe un substrat.

Oglinzile Bragg erau cunoscute încă din secolul al XIX-lea ca cristale fotonice unidimensionale, dar abia recent au găsit o aplicare largă atât în ​​fabricarea stratului antireflex (obișnuit atât în lentilele de ochelari și fotografice ), cât și în fabricarea așa-numitelor dielectrice. oglinzi. - cunoscut și sub denumirea de DBR (reflectoare distribuite Bragg). De fapt, alegând cu atenție periodicitatea și indicele de refracție al structurii, este posibil să se producă oglinzi care au un coeficient de reflecție foarte mare într-un anumit interval de lungimi de undă.

Principalele aplicații ale oglinzilor dielectrice sunt: filtrele dicroice (care reflectă doar o anumită frecvență, dar sunt transparente pentru restul spectrului electromagnetic), diodele laser și, mai general, sunt utilizate ca oglinzi de înaltă calitate în cavitățile rezonante ale laserului . Recent, cristalele fotonice dopate cu metale sensibile la bacterii au fost propuse ca senzori de contaminanți bacterieni. [19]

Cristale fotonice 2D

În două dimensiuni, găurile pot străpunge un substrat transparent la lungimea de undă a radiației pe care bandgap-ul este proiectat să o blocheze.

Fibra Holey sau fibra de cristal fotonic pot fi produse prin luarea tijelor cilindrice de sticlă în rețea hexagonală, iar apoi prin încălzirea și întinderea lor, golurile aeriene triunghiulare dintre tijele de sticlă devin găurile care limitează modurile.

Cristale fotonice 3D

Au fost construite diferite tipuri de structuri: [20]

  • Sferele cu zăbrele diamantate
  • Yablonovite
  • Structura stivei de lemn - „tijele” sunt gravate în mod repetat cu litografie cu fascicul, umplute și acoperite cu un strat de material nou. Pe măsură ce procesul se repetă, canalele sunt gravate în fiecare strat perpendicular pe stratul subiacent și paralele și defazate cu următoarele două canale de mai jos. Procesul se repetă până când structura atinge înălțimea dorită. Materialul de umplere este apoi dizolvat folosind un agent care dizolvă materialul de umplere, dar nu materialul de depunere. În general, este dificil să introduci defecte în această structură.
  • Opalii inversi sau cristalele coloidale inverse (cum ar fi polistirenul sau dioxidul de siliciu) pot fi depuse într-o rețea cubică închisă într-un solvent. Apoi, se introduce un întăritor care creează un solid transparent din volumul ocupat de acesta. Sferele sunt apoi dizolvate cu un acid cum ar fi acidul clorhidric. Coloizii pot fi atât sferici, cât și non-sferici. [21] [22] [23] conține peste 750.000 de nanorods din polimer. Lumina concentrată pe acest splitter de raze fie pătrunde, fie se reflectă, în funcție de polarizare. [24] [25] . Lumina focalizată pe acest splitter de raze pătrunde sau se reflectă în funcție de polarizare.
O fibră de cristal fotonic
o fibră de cristal fotonic.

de fabricație

Tehnicile de fabricație ale cristalelor fotonice unidimensionale sunt multe, depind de calitatea și gradul de perfecțiune necesare, dar pot fi grupate în două macro-categorii: cele care urmează oabordare de sus în jos care constă în îndepărtarea materialului de la masă până la formarea de filme nanometrice (tehnici litografice) și cele care urmează oabordare de jos în sus, începând în schimb de la „atomi împrăștiați” pentru a forma un film prin depunere de suprafață și tehnici de creștere a șablonului.

Printre principalele tehnici menționăm:

Fabricarea cristalelor fotonice multidimensionale trebuie să aibă două cerințe principale:

Faceți-le suficient de precise pentru a evita dispersiile care înnorează proprietățile cristalelor folosind procese care pot produce masiv cristale. O metodă de fabricație promițătoare pentru cristalele fotonice bidimensionale periodice este fabricarea unei fibre. Folosind tehnicile de proiectare a fibrelor dezvoltate pentru fibra optică, îndeplinește aceste două cerințe, iar fibrele de cristal fotonic sunt disponibile comercial. O altă metodă promițătoare pentru dezvoltarea cristalelor fotonice bidimensionale este așa-numita placă de cristal fotonic. Aceste structuri constau dintr-o foaie de material, cum ar fi siliciu, care poate fi modelat folosind tehnici din industria semiconductoarelor. Astfel de cipuri oferă potențialul de a combina procesarea fotonică cu procesarea electronică pe un singur cip.

Pentru cristale fotonice tridimensionale, au fost utilizate diverse tehnici - inclusiv fotolitografie și tehnici de gravare similare celor utilizate pentru circuitele integrate. Unele dintre aceste tehnici sunt deja disponibile comercial. Pentru a evita mecanismul complex al metodelor nanotehnologice, unele abordări alternative implică creșterea cristalelor fotonice din cristalele coloidale ca structuri auto-asamblate.

Filmele și fibrele de cristal fotonic 3D la scară în masă pot fi produse acum folosind o tehnică de asamblare prin forfecare care stivuie 200-300 nm de sfere de polimer coloidal în pelicule de rețea cubice perfect centrate pe față (FCC). Deoarece particulele au un strat de cauciuc transparent mai moale, filmele pot fi întinse și modelate, potrivind spațiile fotonice fotonice și producând efecte structurale de culoare izbitoare.

Notă

  1. ^ Eli Yablonovitch, Emisie spontană inhibată în fizică și electronică în stare solidă , în Physical Review Letters , vol. 58, nr. 20, 1987, pp. 2059-62, Bibcode : 1987PhRvL..58.2059Y , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.58.2059 , PMID 10034639 .
  2. ^ Sajeev John, Localizare puternică a fotonilor în anumite superrețele dielectrice dezordonate , în Physical Review Letters , vol. 58, nr. 23, 1987, pp. 2486-9, Bibcode : 1987PhRvL..58.2486J , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.58.2486 , PMID 10034761 .
  3. ^ (EN) David Lindley, Focus: Repere-Nașterea cristalelor fotonice în fizică, vol. 6, 23 august 2013.
  4. ^ Lord Rayleigh, xxvi. Despre fenomenul remarcabil al reflexiei cristaline descris de Prof. Stokes , în The London, Edinburgh și Dublin Philosophical Magazine și Journal of Science , vol. 26, n. 160, 2009, pp. 256-65, DOI : 10.1080 / 14786448808628259 .
  5. ^ V. P Bykov, Emisia spontană într-o structură periodică , în Jurnalul sovietic de fizică experimentală și teoretică , vol. 35, 1972, p. 269, Bibcode : 1972JETP ... 35..269B .
  6. ^ Vladimir P Bykov, Emisia spontană de la un mediu cu spectru de bandă , în Jurnalul sovietic de electronică cuantică , vol. 4, nr. 7, 1975, pp. 861-871, Bibcode : 1975QuEle ... 4..861B , DOI :10.1070 / QE1975v004n07ABEH009654 .
  7. ^ K Ohtaka, Banda de energie a fotonilor și difracția fotonului cu energie redusă , în Physical Review B , vol. 19, nr. 10, 1979, pp. 5057-67, Bibcode : 1979PhRvB..19.5057O , DOI : 10.1103 / PhysRevB.19.5057 .
  8. ^ E Yablonovitch, T Gmitter și K Leung, Structură de bandă fotonică: Cazul centrat pe față-cub care folosește atomi nesferici , în Physical Review Letters , vol. 67, nr. 17, 1991, pp. 2295-2298, Bibcode : 1991PhRvL..67.2295Y , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.67.2295 , PMID 10044390 .
  9. ^ Angeleene S Ang, Sergey V Sukhov, Aristide Dogariu și Alexander S Shalin,Forțele împrăștiate într-un cristal fotonicstângaci , în Rapoarte științifice , vol. 7, 2017, p. 41014 , Bibcode : 2017NatSR ... 741014A , DOI : 10.1038 / srep41014 , PMC 5253622 , PMID 28112217 .
  10. ^ Pablo Ordejón, Metode de legare strânsă pentru ordinea-N pentru structura electronică și dinamica moleculară , în Computational Materials Science , vol. 12, nr. 3, 1998, pp. 157-91, DOI : 10.1016 / S0927-0256 (98) 00027-5 .
  11. ^ Richard M Martin, Metode „Scalare liniară„ Order-N ”în teoria structurii electronice
  12. ^ EM21 - EM Lab , pe emlab.utep.edu . Adus la 17 mai 2019 (Arhivat din original la 4 martie 2014) .
  13. ^ John D Joannopoulos, Johnson SG, Winn JN și Meade RD, Photonic Cristals: Molding the Flow of Light , în Photonic Cristals: Molding the Flow of Light , 2, 2008, Bibcode : 2008pcmf.book ..... J , ISBN 978-0-691-12456-8 .
  14. ^ M. I Hussein, Reduced Bloch mode expansion for periodic media band structure calculs , in Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences , vol. 465, nr. 2109, 2825, pp. 2825-48, Bibcode : 2009RSPSA.465.2825H , DOI : 10.1098 / rspa.2008.0471 , JSTOR 30243411 , arXiv : 0807.2612 .
  15. ^ Vignolini S, Rudall PJ, Rowland AV, Reed A, Moyroud E, Faden RB, Pointillist structural color in Pollia fruit , în Proc Natl Acad Sci SUA , 1 ianuarie 2012.
  16. ^ Cristalele fotonice provoacă schimbarea activă a culorii la cameleoni , pe nature.com .
  17. ^ Andrew R. Parker, Ross C. McPhedran, David R. McKenzie, Lindsay C. Botten și Nicolae-Alexandru P. Nicorovici "Photonic engineering: Aphrodite's iridescence Nature 409, 36 - 37 (04 Jan 2001)"
  18. ^ S. Kinoshita, S. Yoshioka și K. Kawagoe „Mecanisme de culoare structurală în fluturele Morpho: cooperare de regularitate și neregularitate la o scară irizată” Proc. R. Soc. Lond. B 269, 1417-1421 (2002) http://lib.store.yahoo.net/lib/buginabox/kinoshita.pdf
  19. ^ Giuseppe Maria Paternò, Liliana Moscardi și Stefano Donini, Hybrid One-Dimensional Plasmonic - Photonic Cristals for Optical Detection of Bacterial Contaminants , în The Journal of Physical Chemistry Letters , 13 august 2019, pp. 4980-4986, DOI : 10.1021 / acs.jpclett.9b01612 . Adus la 23 august 2019 .
  20. ^ http://ab-initio.mit.edu/book/photonic-crystals-book.pdf
  21. ^ I. D Hosein, M Ghebrebrhan, J. D Joannopoulos și C. M Liddell, Dimer Shape Anisotropy: A Nonspherical Colloidal Approach to Omnidirectonal Photonic Band Gaps , în Langmuir , vol. 26, n. 3, 2010, pp. 2151-9, DOI : 10.1021 / la902609s , PMID 19863061 .
  22. ^ Ian D Hosein, Stephanie H Lee și Chekesha M Liddell, Cristale fotonice tridimensionale bazate pe dimer , în Advanced Functional Materials , vol. 20, nr. 18, 2010, pp. 3085-91, DOI : 10.1002 / adfm.201000134 .
  23. ^ Ian D Hosein, Bettina S John, Stephanie H Lee, Fernando A Escobedo și Chekesha M Liddell, Rotator și filme cristaline prin auto-asamblare a dimerilor coloidali cu lungime scurtă , în J. Mater. Chem. , vol. 19, nr. 3, 2009, pp. 344-9, DOI : 10.1039 / B818613H .
  24. ^ Calculul optic primește un impuls pe aripile de fluture , pe www.gizmag.com .
  25. ^ Mark D Turner, Matthias Saba, Qiming Zhang, Benjamin P Cumming, Gerd E Schröder-Turk și Min Gu, splitter fascicul miniatural chiral bazat pe cristale fotonice giroide , în Nature Photonics , vol. 7, nr. 10, 2013, p. 801, Bibcode : 2013NaPho ... 7..801T , DOI : 10.1038 / nphoton.2013.233 .

Bibliografie

  • Kazuaki Sakoda, "Proprietățile optice ale cristalelor fotonice", Springer (2005) ISBN 3540206825 .
  • John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, Joshua N. Winn, "Cristale fotonice: modelarea fluxului de lumină", ​​Princeton University Press (1995) ISBN 0691037442 .

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh2005005546 · GND (DE) 4587112-7
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Photonic_Crystal&oldid=122340911 ”