IzpÄtiet aizraujoÅ”o fotonu kristÄlu pasauli, mÄkslÄ«gas struktÅ«ras, kas manipulÄ gaismu nebijuÅ”os veidos, nodroÅ”inot plaÅ”u novatorisku pielietojumu klÄstu.
Fotonu kristÄli: Gaismas manipulÄcija revolucionÄrÄm tehnoloÄ£ijÄm
Fotonu kristÄli (PhCs) ir mÄkslÄ«gas, periodiskas struktÅ«ras, kas kontrolÄ gaismas plÅ«smu lÄ«dzÄ«gi kÄ pusvadÄ«tÄji kontrolÄ elektronu plÅ«smu. Å Ä« spÄja manipulÄt ar fotoniem pÄc vÄlÄÅ”anÄs paver plaÅ”u aizraujoÅ”u iespÄju klÄstu dažÄdÄs zinÄtniskÄs un tehnoloÄ£iskÄs jomÄs. SÄkot ar saules bateriju efektivitÄtes palielinÄÅ”anu un beidzot ar Ä«paÅ”i ÄtrdarbÄ«gu optisko datoru izstrÄdi, fotonu kristÄli ir gatavi radikÄli mainÄ«t to, kÄ mÄs mijiedarbojamies ar gaismu.
Kas ir fotonu kristÄli?
Fotonu kristÄlu pamatÄ ir materiÄli ar periodiski mainÄ«gu refrakcijas indeksu. Å Ä«s periodiskÄs izmaiÅas, parasti gaismas viļÅa garuma skalÄ, rada fotonu joslas spraugu, frekvenÄu diapazonu, kurÄ gaisma nevar izplatÄ«ties caur kristÄlu. Å Ä« parÄdÄ«ba ir lÄ«dzÄ«ga elektronu joslas spraugai pusvadÄ«tÄjos, kur elektroni nevar eksistÄt noteiktÄ enerÄ£ijas diapazonÄ.
GalvenÄs Ä«paŔības
- PeriodiskÄ struktÅ«ra: Augsta un zema refrakcijas indeksa materiÄlu atkÄrtotais raksts ir ļoti svarÄ«gs, lai izveidotu fotonu joslas spraugu.
- ViļÅa garuma skala: Periodiskums parasti ir manipulÄjamÄs gaismas viļÅa garuma kÄrtÄ«bÄ (piemÄram, simtiem nanometru redzamajai gaismai).
- Fotonu joslas sprauga: Å Ä« ir noteicoÅ”Ä iezÄ«me, kas neļauj noteiktu frekvenÄu gaismai izplatÄ«ties caur kristÄlu.
- Refrakcijas indeksa kontrasts: Lai iegÅ«tu spÄcÄ«gu fotonu joslas spraugu, ir nepiecieÅ”ama ievÄrojama atŔķirÄ«ba refrakcijas indeksÄ starp sastÄvdaļu materiÄliem. IzplatÄ«tas materiÄlu kombinÄcijas ir silÄ«cijs/gaiss, titÄna dioksÄ«ds/silÄ«cija dioksÄ«ds un polimÄri ar dažÄdu blÄ«vumu.
Fotonu kristÄlu veidi
Fotonu kristÄlus var iedalÄ«t kategorijÄs pÄc to dimensionalitÄtes:
Vienas dimensijas (1D) fotonu kristÄli
Å ie ir vienkÄrÅ”Äkie veidi, kas sastÄv no divu dažÄdu materiÄlu ar dažÄdiem refrakcijas indeksiem mainÄ«giem slÄÅiem. PiemÄri ir daudzslÄÅu dielektriskie spoguļi un Brega reflektori. Tos ir salÄ«dzinoÅ”i viegli izgatavot, un tos parasti izmanto optiskajos filtros un pÄrklÄjumos.
PiemÄrs: SadalÄ«tie Brega reflektori (DBR), ko izmanto vertikÄlÄs dobuma virsmas izstarojoÅ”ajos lÄzeros (VCSEL). VCSEL tiek izmantoti daudzos lietojumos, sÄkot no optiskajÄm pelÄm lÄ«dz optiskÄs Ŕķiedras sakariem. DBR, kas darbojas kÄ spoguļi lÄzera dobuma augÅ”pusÄ un apakÅ”pusÄ, atstaro gaismu Å”urpu turpu, pastiprinot gaismu un ļaujot lÄzeram izstarot koherentu staru.
Divu dimensiju (2D) fotonu kristÄli
Å Ä«s struktÅ«ras ir periodiskas divÄs dimensijÄs un vienmÄrÄ«gas treÅ”ajÄ. Tos parasti izgatavo, kodinot caurumus vai stabus materiÄla plÄtnÄ. 2D PhC piedÄvÄ lielÄku dizaina elastÄ«bu nekÄ 1D PhC, un tos var izmantot, lai izveidotu viļÅvadus, sadalÄ«tÄjus un citas optiskÄs sastÄvdaļas.
PiemÄrs: SilÄ«cija uz izolatora (SOI) plÄksne ar periodisku caurumu masÄ«vu, kas iegravÄts silÄ«cija slÄnÄ«. Tas rada 2D fotonu kristÄla struktÅ«ru. IevieÅ”ot defektus režģī (piemÄram, noÅemot caurumu rindu), var izveidot viļÅvadu. PÄc tam gaismu var virzÄ«t pa Å”o viļÅvadu, saliekt ap stÅ«riem un sadalÄ«t vairÄkos kanÄlos.
TrÄ«s dimensiju (3D) fotonu kristÄli
Å ie ir sarežģītÄkie veidi ar periodiskumu visÄs trÄ«s dimensijÄs. Tie piedÄvÄ vislielÄko kontroli pÄr gaismas izplatÄ«Å”anos, bet tos ir arÄ« visgrÅ«tÄk izgatavot. 3D PhC var sasniegt pilnÄ«gu fotonu joslas spraugu, kas nozÄ«mÄ, ka noteiktu frekvenÄu gaisma nevar izplatÄ«ties nevienÄ virzienÄ.
PiemÄrs: Apgrieztie opÄli, kur blÄ«vi iesaiÅots sfÄru režģis (piemÄram, silÄ«cija dioksÄ«ds) tiek infiltrÄts ar citu materiÄlu (piemÄram, titÄna dioksÄ«du), un pÄc tam sfÄras tiek noÅemtas, atstÄjot 3D periodisku struktÅ«ru. Å Ä«s struktÅ«ras ir pÄtÄ«tas lietoÅ”anai fotoelementos un sensoros.
IzgatavoÅ”anas paÅÄmieni
Fotonu kristÄlu izgatavoÅ”ana prasa precÄ«zu kontroli pÄr sastÄvdaļu materiÄlu izmÄru, formu un izvietojumu. Tiek izmantotas dažÄdas metodes atkarÄ«bÄ no kristÄla dimensionalitÄtes un izmantotajiem materiÄliem.
Top-Down pieejas
Å Ä«s metodes sÄkas ar beztaras materiÄlu un pÄc tam noÅem materiÄlu, lai izveidotu vÄlamo periodisko struktÅ«ru.
- Elektronu staru litogrÄfija (EBL): KoncentrÄts elektronu stars tiek izmantots, lai izveidotu rakstu rezista slÄnÄ«, ko pÄc tam izmanto, lai kodinÄtu pamatÄ esoÅ”o materiÄlu. EBL piedÄvÄ augstu izŔķirtspÄju, bet ir salÄ«dzinoÅ”i lÄna un dÄrga.
- FokusÄtu jonu staru (FIB) frÄzÄÅ”ana: FokusÄts jonu stars tiek izmantots, lai tieÅ”i noÅemtu materiÄlu. FIB var izmantot, lai izveidotu sarežģītas 3D struktÅ«ras, bet tas var arÄ« sabojÄt materiÄlu.
- DziÄ¼Ä ultravioletÄ (DUV) litogrÄfija: LÄ«dzÄ«gi kÄ EBL, bet rezista slÄÅa veidoÅ”anai izmanto ultravioleto gaismu. DUV litogrÄfija ir ÄtrÄka un lÄtÄka nekÄ EBL, bet tai ir zemÄka izŔķirtspÄja. Parasti izmanto masveida ražoÅ”anas apstÄkļos, piemÄram, pusvadÄ«tÄju ražotnÄs ÄzijÄ (TaivÄna, Dienvidkoreja utt.)
Bottom-Up pieejas
Å Ä«s metodes ietver struktÅ«ras montÄžu no atseviŔķiem celtniecÄ«bas blokiem.
- PaÅ”montÄža: MateriÄlu raksturÄ«go Ä«paŔību izmantoÅ”ana, lai spontÄni izveidotu vÄlamo periodisko struktÅ«ru. PiemÄri ir koloidÄlÄ paÅ”montÄža un bloku kopolimÄru paÅ”montÄža.
- SlÄÅu pa slÄnim montÄža: StruktÅ«ras veidoÅ”ana slÄni pa slÄnim, izmantojot tÄdas metodes kÄ atomu slÄÅu pÄrklÄÅ”ana (ALD) vai Ä·Ä«miskÄ tvaiku pÄrklÄÅ”ana (CVD).
- 3D drukÄÅ”ana: AditÄ«vÄs ražoÅ”anas metodes var izmantot, lai izveidotu sarežģītas 3D fotonu kristÄla struktÅ«ras.
Fotonu kristÄlu pielietojumi
UnikÄlÄ fotonu kristÄlu spÄja kontrolÄt gaismu ir novedusi pie plaÅ”a potenciÄlo pielietojumu klÄsta.
Optiskie viļÅvadi un Ä·Ädes
Fotonu kristÄlus var izmantot, lai izveidotu kompaktus un efektÄ«vus optiskos viļÅvadus, kas var vadÄ«t gaismu ap asiem stÅ«riem un caur sarežģītÄm Ä·ÄdÄm. Tas ir ļoti svarÄ«gi, lai izstrÄdÄtu integrÄtas fotoniskÄs Ä·Ädes, kas var veikt optiskÄs apstrÄdes uzdevumus mikroshÄmÄ.
PiemÄrs: SilÄ«cija fotoniskÄs mikroshÄmas tiek izstrÄdÄtas Ätrgaitas datu pÄrraidei datu centros. Å Ä«s mikroshÄmas izmanto fotonu kristÄla viļÅvadus, lai novirzÄ«tu optiskos signÄlus starp dažÄdÄm sastÄvdaļÄm, piemÄram, lÄzeriem, modulatoriem un detektoriem. Tas nodroÅ”ina ÄtrÄku un energoefektÄ«vÄku datu pÄrsÅ«tÄ«Å”anu nekÄ tradicionÄlÄs elektroniskÄs Ä·Ädes.
Optiskie sensori
Fotonu kristÄli ir ļoti jutÄ«gi pret izmaiÅÄm savÄ vidÄ, tÄpÄc tie ir ideÄli piemÄroti izmantoÅ”anai optiskajos sensoros. Uzraugot gaismas caurlaidÄ«bu vai atstaroÅ”anu caur kristÄlu, ir iespÄjams noteikt refrakcijas indeksa, temperatÅ«ras, spiediena izmaiÅas vai specifisku molekulu klÄtbÅ«tni.
PiemÄrs: Fotonu kristÄla sensoru var izmantot, lai noteiktu piesÄrÅotÄju klÄtbÅ«tni Å«denÄ«. Sensors ir izstrÄdÄts tÄ, lai tÄ optiskÄs Ä«paŔības mainÄ«tos, kad tas nonÄk saskarÄ ar specifiskiem piesÄrÅotÄjiem. MÄrot Ŕīs izmaiÅas, var noteikt piesÄrÅotÄju koncentrÄciju.
Saules baterijas
Fotonu kristÄlus var izmantot, lai uzlabotu saules bateriju efektivitÄti, palielinot gaismas uztverÅ”anu un absorbciju. Iekļaujot fotonu kristÄla struktÅ«ru saules baterijÄ, ir iespÄjams palielinÄt gaismas daudzumu, ko absorbÄ aktÄ«vais materiÄls, tÄdÄjÄdi palielinot enerÄ£ijas pÄrveidoÅ”anas efektivitÄti.
PiemÄrs: PlÄnÄs kÄrtiÅas saules baterija ar fotonu kristÄla atpakaļatstarotÄju. AtpakaļatstarotÄjs izkliedÄ gaismu atpakaļ saules baterijas aktÄ«vajÄ slÄnÄ«, palielinot varbÅ«tÄ«bu, ka tÄ tiks absorbÄta. Tas ļauj izmantot plÄnÄkus aktÄ«vos slÄÅus, kas var samazinÄt saules baterijas izmaksas.
OptiskÄ skaitļoÅ”ana
Fotonu kristÄli piedÄvÄ potenciÄlu izveidot Ä«paÅ”i ÄtrdarbÄ«gus un energoefektÄ«vus optiskos datorus. Izmantojot gaismu elektronu vietÄ, lai veiktu aprÄÄ·inus, ir iespÄjams pÄrvarÄt elektronisko datoru ierobežojumus.
PiemÄrs: Visu optisko loÄ£isko elementu pamatÄ ir fotonu kristÄla struktÅ«ras. Å ie loÄ£iskie elementi var veikt pamata BÅ«la operÄcijas (AND, OR, NOT), izmantojot gaismas signÄlus. Apvienojot vairÄkus loÄ£iskos elementus, ir iespÄjams izveidot sarežģītas optiskÄs Ä·Ädes, kas var veikt sarežģītÄkus aprÄÄ·inus.
OptiskÄs Ŕķiedras
Fotonu kristÄla Ŕķiedras (PCF) ir Ä«paÅ”s optiskÄs Ŕķiedras veids, kas izmanto fotonu kristÄla struktÅ«ru, lai vadÄ«tu gaismu. PCF var bÅ«t unikÄlas Ä«paŔības, piemÄram, augsta nelinearitÄte, augsta divlauÅ”ana un spÄja vadÄ«t gaismu gaisÄ. Tas padara tos noderÄ«gus dažÄdiem lietojumiem, tostarp optiskajiem sakariem, sensorikai un lÄzeru tehnoloÄ£ijÄm.
PiemÄrs: DobÄs serdes fotonu kristÄla Ŕķiedras, kas vada gaismu gaisa serdÄ, ko ieskauj fotonu kristÄla struktÅ«ra. Å Ä«s Ŕķiedras var izmantot, lai pÄrraidÄ«tu lieljaudas lÄzera starus, nesabojÄjot Ŕķiedras materiÄlu. TÄs piedÄvÄ arÄ« potenciÄlu Ä«paÅ”i zemu zudumu optiskajiem sakariem.
MetamateriÄli
Fotonu kristÄlus var uzskatÄ«t par metamateriÄlu veidu, kas ir mÄkslÄ«gi konstruÄti materiÄli ar Ä«paŔībÄm, kas nav atrodamas dabÄ. MetamateriÄlus var izstrÄdÄt tÄ, lai tiem bÅ«tu negatÄ«vs refrakcijas indekss, maskÄÅ”anas iespÄjas un citas eksotiskas optiskÄs Ä«paŔības. Fotonu kristÄlus bieži izmanto kÄ celtniecÄ«bas blokus sarežģītÄku metamateriÄlu struktÅ«ru veidoÅ”anai.
PiemÄrs: MetamateriÄla maskÄÅ”anas ierÄ«ce, kas var padarÄ«t objektu neredzamu gaismai. IerÄ«ce ir izgatavota no sarežģīta fotonu kristÄla struktÅ«ru izkÄrtojuma, kas saliec gaismu ap objektu, neļaujot tai izkliedÄties. Tas ļauj objektam kļūt neredzamam novÄrotÄjam.
IzaicinÄjumi un nÄkotnes virzieni
Lai gan fotonu kristÄli piedÄvÄ lielu potenciÄlu, ir arÄ« vairÄki izaicinÄjumi, kas jÄrisina, pirms tos var plaÅ”i izmantot. Å ie izaicinÄjumi ietver:
- IzgatavoÅ”anas sarežģītÄ«ba: Augstas kvalitÄtes fotonu kristÄlu izgatavoÅ”ana, Ä«paÅ”i trÄ«s dimensijÄs, var bÅ«t sarežģīta un dÄrga.
- MateriÄlu zudumi: MateriÄlu absorbcija un izkliede var samazinÄt fotonu kristÄla ierÄ«Äu veiktspÄju.
- IntegrÄcija ar esoÅ”ajÄm tehnoloÄ£ijÄm: Fotonu kristÄla ierÄ«Äu integrÄÅ”ana ar esoÅ”ajÄm elektroniskajÄm un optiskajÄm sistÄmÄm var bÅ«t sarežģīta.
Neskatoties uz Å”iem izaicinÄjumiem, pÄtniecÄ«ba un attÄ«stÄ«ba fotonu kristÄlu jomÄ virzÄs strauji. NÄkotnes virzieni ietver:
- Jaunu izgatavoÅ”anas paÅÄmienu izstrÄde, kas ir ÄtrÄki, lÄtÄki un precÄ«zÄki.
- Jaunu materiÄlu izpÄte ar mazÄkiem zudumiem un labÄkÄm optiskajÄm Ä«paŔībÄm.
- SarežģītÄku un funkcionÄlÄku fotonu kristÄla ierÄ«Äu projektÄÅ”ana.
- Fotonu kristÄlu integrÄÅ”ana ar citÄm tehnoloÄ£ijÄm, piemÄram, mikroelektroniku un biotehnoloÄ£iju.
GlobÄlÄ pÄtniecÄ«ba un attÄ«stÄ«ba
Fotonu kristÄlu pÄtniecÄ«ba ir globÄls pasÄkums, un nozÄ«mÄ«gu ieguldÄ«jumu sniedz universitÄtes un pÄtniecÄ«bas institÅ«cijas visÄ pasaulÄ. Ziemeļamerikas, Eiropas un Äzijas valstis ir Ŕīs jomas priekÅ”galÄ. SadarbÄ«bas pÄtniecÄ«bas projekti ir izplatÄ«ti, veicinot zinÄÅ”anu un pieredzes apmaiÅu.
PiemÄri:
- Eiropa: Eiropas SavienÄ«ba finansÄ vairÄkus liela mÄroga projektus, kas vÄrsti uz fotonu kristÄlu tehnoloÄ£iju izstrÄdi dažÄdiem lietojumiem, tostarp telekomunikÄcijÄm, sensorikai un enerÄ£ijai.
- Ziemeļamerika: UniversitÄtes un nacionÄlÄs laboratorijas Amerikas SavienotajÄs ValstÄ«s un KanÄdÄ aktÄ«vi iesaistÄs fotonu kristÄlu pÄtniecÄ«bÄ, Ä«paÅ”u uzmanÄ«bu pievÄrÅ”ot fundamentÄlajai zinÄtnei un progresÄ«viem lietojumiem.
- Äzija: TÄdas valstis kÄ JapÄna, Dienvidkoreja un Ķīna ir veikuÅ”as ievÄrojamus ieguldÄ«jumus fotonu kristÄlu pÄtniecÄ«bÄ un attÄ«stÄ«bÄ, Ä«paÅ”u uzsvaru liekot uz komerciÄlu lietojumu izstrÄdi.
SecinÄjums
Fotonu kristÄli ir aizraujoÅ”a un daudzsoloÅ”a materiÄlu klase, kas piedÄvÄ nepieredzÄtu gaismas kontroli. Lai gan izaicinÄjumi joprojÄm pastÄv, fotonu kristÄlu potenciÄlie pielietojumi ir plaÅ”i un pÄrveidojoÅ”i. Uzlabojoties izgatavoÅ”anas paÅÄmieniem un attÄ«stoties jauniem materiÄliem, fotonu kristÄliem ir paredzÄts arvien nozÄ«mÄ«gÄka loma plaÅ”Ä tehnoloÄ£iju klÄstÄ, sÄkot no optiskajiem sakariem un sensorikas un beidzot ar saules enerÄ£iju un skaitļoÅ”anu. Fotonikas nÄkotne ir spoža, un fotonu kristÄli ir Ŕīs revolÅ«cijas centrÄ.
Papildu lasÄmviela: Lai padziļinÄti iedziļinÄtos fotonu kristÄlu pasaulÄ, apsveriet iespÄju izpÄtÄ«t tÄdus zinÄtniskus žurnÄlus kÄ Optics Express, Applied Physics Letters un Nature Photonics. TieÅ”saistes resursi, piemÄram, SPIE (StarptautiskÄ Optikas un fotonikas biedrÄ«ba) digitÄlÄ bibliotÄka, sniedz arÄ« vÄrtÄ«gu informÄciju un pÄtniecÄ«bas rakstus.