IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Термин «фотонные кристаллы» в современном материаловедении относится к новому классу оптических материалов, представляющих собой оптическую среду, в которой происходит периодическое изменение коэффициента преломления в одном или нескольких пространственных направлениях в области длин волн света видимого или ближнего ИК диапазонов [1]. Это структура, позволяющая изменять направление излучения и выделять (пропускать или поглощать) излучение с определенной частотой. Идея фотонного кристалла была предложена в 1987 году американским физиком Эли Яблоновичем. Он же ввел понятие «фотонная запрещенная зона» - область частот, не пропускаемых структурой фотонного кристалла (по аналогии с понятием запрещенной зоны в полупроводнике) [2]. В зависимости от возможности управлять излучением в плоскости или в пространстве фотонные кристаллы делятся на одномерные, двумерные и трехмерные.

Для фотонных кристаллов характерно наличие следующих двух свойств: первое – это периодическая модуляция (трансляционная симметрия) диэлектрической проницаемости с периодом, сравнимым с длиной волны света; второе – наличие связанной с периодичностью кристалла полной запрещенной зоны в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла. Последнее свойство отличает фотонный кристалл от обычной дифракционной решетки. Оно означает, что в данном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в образец или выйти из него ни в каком направлении [2]. Это и есть уникальное свойство фотонных кристаллов, которое позволит создать на их основе самые разнообразные оптические устройства, которые произведут настоящую революцию в оптоэлектронике [1]. Это высокоэффективные светодиоды и лазеры, новые оптоволоконные волноводы, оптические переключатели, а в перспективе сверхбыстрые фотонные компьютеры.

В зависимости от ширины запрещенной зоны фотонные кристаллы можно разделить на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники. Фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами. Они представляют собой прозрачные тела, в которых свет распространяется на большое расстояние, практически не поглощаясь. Другой класс фотонных кристаллов - фотонные изоляторы - обладает широкими запрещенными зонами. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают и являются практически идеальными зеркалами. Фотонные полупроводники обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами, поэтому способны выборочно отражать фотоны определённой длины волны.

Фотонные кристаллы встречаются в природе: это крылья бабочек, которые переливаются всеми цветами радуги (это оптическое явление получило название иризация), минералы опал (SiO₂×nH₂O) и лабрадор (изоморфная смесь альбита Na[AlSi₃O₈] и анортита Ca[AlSi₃O₈]), кальцит. От игры света в опале происходит термин опалесценция, обозначающий особый, характерный только для этого кристалла тип рассеяния излучения. В структуре опала имеется упорядоченное расположение субмикронных сферических частиц SiO₂, приводящее к существованию периодичности световых волн во всех направлениях. Кластерная сверхрешетка опала послужила прототипом для создания искусственных фотонных кристаллов. Химики научились синтезировать фотонные кристаллы, аналогичные природным опалам в лабораторных условиях. Синтетические опалы характеризуются более высоким качеством структуры и управляемой шириной запрещенной зоны по сравнению с природными аналогами Фотонные кристаллы можно получать из обычных материалов: оксидов, металлов, полимеров, полупроводников [1].

В настоящее время существует много методов изготовления фотонных кристаллов. Некоторые методы больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов (голографический метод), другие удобны в отношении двумерных (метод травления, голографический метод), третьи применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам (метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, голографический метод, метод однофотонной и двухфотонной фотолитографии) [2,3].

Активная работа по синтезу фотонных кристаллов проводится по всему миру. Конечно, сегодня это лишь лабораторные объекты, но их потенциальные возможности настолько широки, что универсальная технология их производства станет делом ближайшего будущего.

Список литературы

1. Нанотехнологии. Азбука для всех. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 388 с.

2. Кособукин В.А. Фотонные кристаллы. – Окно в Микромир, 2002, № 4, с. 4-9.

3. Ивченко Е.Л., Поддубный А.Н. Резонансные трехмерные фотонные кристаллы. – Физика твердого тела, 2006, т. 48, вып. 3, с. 540-547.

Код для цитирования: Скопировать