XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Что представляют собой фотонные кристалы?

Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой упорядоченные структуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве. Оптические свойства ФК отличаются от оптических свойств сплошных сред. Распространение излучения внутри фотонного кристалла из-за периодичности среды становится похожим на движение электрона внутри обычного кристалла под действием периодического поля. В результате электромагнитные волны в фотонных кристаллах имеют зонный спектр и координатную зависимость, аналогичную блоховским волнам электронов в обычных кристаллах. При определенных условиях в зонной структуре фотонного кристалла образуются щели, идентичные запрещенным электронным зонам в естественных кристаллах. В зависимости от конкретных свойств (материала элементов, их размера и периода решетки) в спектре ФК могут образовываться как полностью запрещенные по частоте зоны, для которых распространение излучения невозможно независимо от его поляризации и направления, так и частично запрещенные (стоп–зоны), в которых распространение возможно лишь в выделенных направлениях [1].

Фотонные кристаллы привлекательны как с фундаментальной точки зрения, так и для многочисленных приложений. На основе фотонных кристаллов создаются и разрабатываются оптические фильтры, волноводы (в частности, в волоконно-оптических линиях связи), устройства, позволяющие осуществлять управление тепловым излучением, на основе фотонных кристаллов были предложены конструкции лазеров с пониженным порогом накачки.

Помимо изменения спектров отражения, прохождения и поглощения металло-диэлектрические фотонные кристаллы обладают специфической плотностью фотонных состояний. Измененная плотность состояний может существенным образом влиять на время жизни возбужденного состояния атома или молекулы, помещенных внутрь фотонного кристалла, и, следовательно, менять характер люминесценции. Например, если частота перехода в молекуле-индикаторе, находящейся в фотонном кристалле, попадет в запрещенную зону, то люминесценция на этой частоте будет подавлена.

ФК делятся на три типа: одномерные, двумерные и трехмерные.

Рис. 1 - Одно-, двух- и трехмерные фотонные кристаллы. Разные цвета соответствуют материалам с разными значениями диэлектрической проницаемости.

Первые открытия и исследования фотонных кристаллов

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 [1-4].

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 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 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 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 [1-4].

 

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 [3-4].

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.

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 [3, 4].

 

Метаматериалы

Есть еще одно очень интересное понятие — это метаматериалы. Эти материалы создаются искусственно и имеют свойства для распространяющихся волн, которые не существуют в природе. Фотонные и подобные им кристаллы тоже обладают такими свойствами. То есть можно заставить свет или другую волну, акустическую или магнитную, распространяться и отражаться по законам, которые противоречат законам обычной оптики, акустики или магнетизма. И все это может сделать человек.

Свойства распространяющихся волн в таких структурах, фотонных кристаллах и метаматериалах, не подчиняются законам обычной оптики, они им противоречат, но не противоречат тому, что создается руками человека. Эти новые структуры основаны на абсолютно новом знании, и главное, что это знание появилось буквально в последние десятилетия. На мой взгляд, за этими структурами очень многое, а именно за технологиями их создания и способами их применения.

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 [4].

 

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 [1-4].

Список литературы

1. https://postnauka.ru/

2. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434392/Elektrokhimiya_fotonnykh_kristallov

3. https://педпроект.рф/

4. https://fdtd.kintechlab.com/ru/start

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонный_кристалл

Код для цитирования: Скопировать