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Einleitung Wer einen photonischen Kristall gefunden hat, ist seit jeher fasziniert von einem besonderen schillernden Lichtspiel darin. Es wurde festgestellt, dass schillernde Überläufe von Schuppen und Federn verschiedener Tiere und Insekten auf das Vorhandensein von Überstrukturen auf ihnen zurückzuführen sind, die wegen ihrer reflektierenden Eigenschaften den Namen photonische Kristalle erhielten. Photonische Kristalle finden sich in der Natur in/auf: Mineralien (Calcit, Labradorit, Opal); auf den Flügeln von Schmetterlingen; Käferschalen; die Augen einiger Insekten; Algen; Fischschuppen; Pfauenfedern. 3

Photonische Kristalle Dies ist ein Material, dessen Struktur durch eine periodische Änderung des Brechungsindex in Raumrichtungen gekennzeichnet ist. Photonischer Kristall auf der Basis von Aluminiumoxid. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH UND COSTAS M. SOUKOULIS „Direktes Laserschreiben von dreidimensionalen photonischen Kristallschablonen für die Telekommunikation“// Nature materials Vol. No. 3, S

Ein bisschen Geschichte… 1887 untersuchte Rayleigh als erster die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in periodischen Strukturen, analog zum eindimensionalen photonischen Kristall Photonic Crystals – der Begriff wurde Ende der 1980er Jahre eingeführt. um das optische Analogon von Halbleitern zu bezeichnen. Dies sind künstliche Kristalle aus einem durchscheinenden Dielektrikum, in denen geordnet Luft-"Löcher" entstehen. 5

Photonische Kristalle – die Zukunft der Weltenergie Photonische Hochtemperaturkristalle können nicht nur als Energiequelle, sondern auch als äußerst hochwertige Detektoren (Energie, Chemie) und Sensoren fungieren. Photonische Kristalle, die von Wissenschaftlern aus Massachusetts entwickelt wurden, basieren auf Wolfram und Tantal. Diese Verbindung kann sehr zufriedenstellend arbeiten hohe Temperaturen. Bis zu ˚С. Damit der photonische Kristall beginnt, eine Energieart in eine andere umzuwandeln, ist jede Quelle (Wärme, Radioemission, harte Strahlung, Sonnenlicht usw.) geeignet für die Verwendung. 6

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Ausbreitungsgesetz elektromagnetischer Wellen in einem photonischen Kristall (Darstellung ausgedehnter Zonen). Die rechte Seite zeigt für eine gegebene Richtung im Kristall die Beziehung zwischen der Frequenz? und die Werte von ReQ (durchgezogene Kurven) und ImQ (gestrichelte Kurve in der Stoppzone Omega -

Photonische Lückentheorie Erst 1987 führte Eli Yablonovitch von Bell Communications Research (jetzt Professor an der UCLA) den Begriff einer elektromagnetischen Bandlücke ein. Horizonte erweitern: Vortrag von Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Vortrag von John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9

Auch in der Natur kommen photonische Kristalle vor: auf den Flügeln afrikanischer Schwalbenschwanzschmetterlinge, der Perlmuttbeschichtung von Schalen von Mollusken wie Galiotis, Seepocken der Seemaus und Borsten des Polychaetenwurms. Foto eines Opalarmbandes. Opal ist ein natürlicher photonischer Kristall. Er wird „Stein der trügerischen Hoffnungen“ genannt 10

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Keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung" title="(!LANG: Vorteile von FA-basierten Filtern gegenüber dem Absorptionsmechanismus (Absorptionsmechanismus) für lebende Organismen: Interferenzfärbung erfordert keine Aufnahme und Abgabe von Lichtenergie, => keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung" class="link_thumb"> 12 !} Vorteile von FA-basierten Filtern gegenüber dem Absorptionsmechanismus (Absorptionsmechanismus) für lebende Organismen: Interferenzfärbung erfordert keine Absorption und Dissipation von Lichtenergie => keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung. Schmetterlinge, die in heißen Klimazonen leben, haben ein schillerndes Flügelmuster, und es wurde festgestellt, dass die Struktur des photonischen Kristalls auf der Oberfläche die Lichtabsorption und damit die Erwärmung der Flügel verringert. Die Seemaus nutzt schon lange photonische Kristalle. 12 keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung "> keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung. Schmetterlinge, die in einem heißen Klima leben, haben ein schillerndes Flügelmuster, und die Struktur des photonischen Kristalls auf der Oberfläche nimmt, wie sich herausstellte, ab die Absorption von Licht und damit die Erwärmung der Flügel Die Seemaus setzt photonische Kristalle bereits seit langem in der Praxis ein => keine Erwärmung und photochemische Zerstörung des Pigments"> title="Vorteile von FA-basierten Filtern gegenüber dem Absorptionsmechanismus (Absorptionsmechanismus) für lebende Organismen: Interferenzfärbung erfordert keine Absorption und Dissipation von Lichtenergie => keine Erwärmung und photochemische Zerstörung der Pigmentbeschichtung"> !}

Morpho didius schillernder Schmetterling und Mikroaufnahme seines Flügels als Beispiel für diffraktive biologische Mikrostruktur. Schillernder natürlicher Opal (Halbedelstein) und Abbildung seiner Mikrostruktur, bestehend aus dicht gepackten Kugeln aus Siliziumdioxid. 13

Klassifizierung photonischer Kristalle 1. Eindimensional. Bei dem sich der Brechungsindex periodisch in einer Raumrichtung ändert, wie in der Abbildung gezeigt. In dieser Figur bezeichnet das Symbol Λ die Änderungsperiode des Brechungsindex und die Brechungsindizes der zwei Materialien (jedoch kann im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Materialien vorhanden sein). Solche photonischen Kristalle bestehen aus zueinander parallelen Schichten unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes und können ihre Eigenschaften in einer Raumrichtung senkrecht zu den Schichten zeigen. vierzehn

2. Zweidimensional. Bei dem sich der Brechungsindex periodisch in zwei Raumrichtungen ändert, wie in der Abbildung gezeigt. In dieser Figur wird ein photonischer Kristall durch rechteckige Bereiche mit einem Brechungsindex von n1 erzeugt, die sich in einem Medium mit einem Brechungsindex von n2 befinden. Die Bereiche mit dem Brechungsindex n1 sind dabei in einem zweidimensionalen kubischen Gitter geordnet. Solche photonischen Kristalle können ihre Eigenschaften in zwei Raumrichtungen zeigen, und die Form von Bereichen mit einem Brechungsindex n1 ist nicht wie in der Figur auf Rechtecke beschränkt, sondern kann beliebig sein (Kreise, Ellipsen, beliebig etc.). Das Kristallgitter, in dem diese Bereiche angeordnet sind, kann auch anders sein und nicht nur kubisch wie in der Abbildung. fünfzehn

3. Dreidimensional. Bei dem sich der Brechungsindex periodisch in drei Raumrichtungen ändert. Solche photonischen Kristalle können ihre Eigenschaften in drei Raumrichtungen zeigen und sie können als eine Anordnung volumetrischer Bereiche (Kugeln, Würfel usw.) dargestellt werden, die in einem dreidimensionalen Kristallgitter angeordnet sind. 16

Anwendungen photonischer Kristalle Die erste Anwendung ist die spektrale Kanaltrennung. In vielen Fällen laufen nicht ein, sondern mehrere Lichtsignale entlang einer optischen Faser. Sie müssen manchmal sortiert werden, um sie jeweils auf einen separaten Weg zu schicken. Beispielsweise ein optisches Telefonkabel, über das mehrere Gespräche gleichzeitig stattfinden unterschiedliche Längen Wellen. Ein photonischer Kristall ist ein ideales Werkzeug, um die gewünschte Wellenlänge aus dem Strom zu „schnitzen“ und ihn dorthin zu lenken, wo er benötigt wird. Das zweite ist ein Kreuz für Lichtströme. Eine solche Vorrichtung, die Lichtkanäle beim physischen Kreuzen vor gegenseitiger Beeinflussung schützt, ist bei der Herstellung eines Lichtcomputers und von Lichtcomputerchips unbedingt erforderlich. 17

Photonische Kristalle in der Telekommunikation Seit Beginn der ersten Entwicklungen sind noch nicht so viele Jahre vergangen, da wurde den Investoren klar, dass photonische Kristalle optische Materialien einer grundlegend neuen Art sind und ihnen eine glänzende Zukunft bevorsteht. Der Ausgang der Entwicklung photonischer Kristalle im optischen Bereich bis hin zur kommerziellen Anwendung wird höchstwahrscheinlich im Bereich der Telekommunikation erfolgen. achtzehn

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Vor- und Nachteile von lithographischen und holographischen Verfahren zum Erhalten von FC Pluses: hohe Qualität der gebildeten Struktur. Hohe Produktionsgeschwindigkeit Einfache Massenproduktion Nachteile Teure Ausrüstung erforderlich Mögliche Verschlechterung der Kantenschärfe Schwierigkeit bei der Herstellung von Aufbauten 22

Nahaufnahme die verbleibende Rauheit in der Größenordnung von 10 nm ist unten sichtbar. Die gleiche Rauheit ist auf unseren SU-8-Schablonen sichtbar, die durch holografische Lithografie hergestellt wurden. Dies zeigt deutlich, dass diese Rauheit nicht mit dem Herstellungsprozess zusammenhängt, sondern eher mit der endgültigen Auflösung des Fotolacks. 24

Um die fundamentalen PBG-Wellenlängen im Telekommunikationsmodus von 1,5 um auf 1,3 um zu verschieben, ist es notwendig, einen Abstand in der Größenordnung von 1 um oder weniger in der Ebene der Stäbe zu haben. Die hergestellten Proben haben ein Problem: Die Stäbchen beginnen miteinander in Kontakt zu kommen, was zu einer unerwünscht großen Füllung der Fraktion führt. Lösung: Verringerung des Durchmessers des Stabes und damit Füllung der Fraktion durch Ätzen im Sauerstoffplasma 26

Optische Eigenschaften eines PCs Aufgrund der Periodizität des Mediums ähnelt die Ausbreitung von Strahlung in einem photonischen Kristall der Bewegung eines Elektrons in einem gewöhnlichen Kristall unter Einwirkung eines periodischen Potentials. Unter bestimmten Bedingungen bilden sich Lücken in der Bandstruktur eines PCs, ähnlich wie verbotene elektronische Bänder in natürlichen Kristallen. 27

Ein zweidimensionaler periodischer photonischer Kristall wird erhalten, indem eine periodische Struktur aus vertikalen dielektrischen Stäben gebildet wird, die quadratisch verschachtelt auf einem Siliziumdioxidsubstrat angeordnet sind. Durch das Platzieren von "Defekten" in einem photonischen Kristall ist es möglich, Wellenleiter zu erzeugen, die, in jedem Winkel gebogen, eine 100%ige Transmission ergeben. Zweidimensionale photonische Strukturen mit einer Bandlücke von 28

Eine neue Methode zur Erzielung einer Struktur mit polarisationsempfindlichen photonischen Bandlücken Entwicklung eines Ansatzes zur Kombination der Struktur einer photonischen Bandlücke mit anderen optischen und optoelektronischen Bauelementen Beobachtung der kurz- und langwelligen Bandgrenzen. Erfahrungsziel ist: 29

Die Hauptfaktoren, die die Eigenschaften einer photonischen Bandlückenstruktur (PBG) bestimmen, sind der Brechungskontrast, das Verhältnis von hohen und niedrigen Materialindizes im Gitter und die Anordnung der Gitterelemente. Die Konfiguration des verwendeten Wellenleiters ist vergleichbar mit der eines Halbleiterlasers. Das Array ist sehr klein (100 nm Durchmesser), Löcher wurden in den Kern des Wellenleiters geätzt, wodurch ein hexagonales Gitter 30 gebildet wurde

Abb.2a Skizze des Gitters und der Brillouin-Zone zur Veranschaulichung der Symmetrierichtungen in einem horizontal dicht gepackten Gitter. b, c Messung der Transmissionseigenschaften an einem photonischen 19-nm-Gitter. 31 Brillouin-Zonen mit symmetrischen Richtungen

Abb.4 Fotografien des elektrischen Felds der Profile von Wanderwellen, die Band 1 (a) und Band 2 (b) entsprechen, nahe dem K-Punkt für TM-Polarisation. In a hat das Feld die gleiche Reflexionssymmetrie um die y-z-Ebene wie die ebene Welle, daher sollte es leicht mit der ankommenden ebenen Welle interagieren. Im Gegensatz dazu ist das Feld in b asymmetrisch, was diese Wechselwirkung nicht zulässt. 33

Schlussfolgerungen: PBG-Strukturen können als Spiegel und Elemente zur direkten Steuerung der Emission in Halbleiterlasern verwendet werden. Die Demonstration von PBG-Konzepten in der Wellenleitergeometrie wird die Realisierung sehr kompakter optischer Elemente ermöglichen neuer Typ Mikrokavitäten und bündeln das Licht so stark, dass nichtlineare Effekte genutzt werden können 34

Ilya Polishchuk, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Professor am Moskauer Institut für Physik und Technologie, leitender Forscher, Nationales Forschungszentrum „Kurchatov Institute“

Der Einsatz von Mikroelektronik in Informationsverarbeitungs- und Kommunikationssystemen hat die Welt grundlegend verändert. Zweifellos werden die Folgen des Forschungsbooms auf dem Gebiet der Physik photonischer Kristalle und darauf basierender Bauelemente von vergleichbarer Bedeutung sein wie die Schaffung integrierter Mikroelektronik vor mehr als einem halben Jahrhundert. Neuartige Materialien werden es ermöglichen, optische Mikroschaltkreise nach dem „Ebenbild“ von Halbleiterelektronikelementen herzustellen, und wiederum grundlegend neue Methoden der Informationsübertragung, -speicherung und -verarbeitung, die heute auf photonischen Kristallen entwickelt werden, finden Anwendung in der Halbleiterelektronik der Zukunft. Kein Wunder, dass dieses Forschungsgebiet zu den heißesten der Welt gehört wissenschaftliche Zentren, High-Tech-Unternehmen und Unternehmen des militärisch-industriellen Komplexes. Russland ist natürlich keine Ausnahme. Darüber hinaus sind photonische Kristalle Gegenstand effektiver internationale Kooperation. Als Beispiel sei auf die mehr als zehnjährige Zusammenarbeit zwischen der russischen Kintech Lab LLC und dem bekannten amerikanischen Unternehmen General Electric verwiesen.

Geschichte der photonischen Kristalle

Historisch gesehen begann sich die Theorie der Photonenstreuung an dreidimensionalen Gittern intensiv aus dem Wellenlängenbereich von ~ 0,01-1 nm zu entwickeln, der im Röntgenbereich liegt, wo die Knoten des photonischen Kristalls die Atome selbst sind. 1986 schlug Eli Yablonovich von der University of California in Los Angeles die Idee vor, eine dreidimensionale dielektrische Struktur zu schaffen, ähnlich wie gewöhnliche Kristalle, in der sich elektromagnetische Wellen eines bestimmten Spektralbands nicht ausbreiten könnten. Solche Strukturen werden photonische Bandgap-Strukturen oder photonische Kristalle genannt. Nach 5 Jahren wurde ein solcher photonischer Kristall hergestellt, indem Millimeterlöcher in ein Material mit hohem Brechungsindex gebohrt wurden. Ein solcher künstlicher Kristall, später Yablonovit genannt, ließ Millimeterwellenstrahlung nicht durch und realisierte tatsächlich eine photonische Struktur mit einer Bandlücke (der gleichen Klasse physikalischer Objekte können übrigens auch phasengesteuerte Antennenarrays zugeordnet werden).

Mit photonischen Strukturen, bei denen die Ausbreitung elektromagnetischer (insbesondere optischer) Wellen in einem bestimmten Frequenzband in eine, zwei oder drei Richtungen verboten ist, lassen sich optisch integrierte Bauelemente zur Kontrolle dieser Wellen realisieren. Gegenwärtig liegt die Ideologie photonischer Strukturen der Schaffung von Halbleiterlasern ohne Schwellenwert, Lasern auf der Basis von Seltenerdionen, Resonatoren mit hoher Güte, optischen Wellenleitern, Spektralfiltern und Polarisatoren zugrunde. Die Erforschung photonischer Kristalle wird inzwischen in mehr als zwei Dutzend Ländern durchgeführt, einschließlich Russland, und die Anzahl der Veröffentlichungen auf diesem Gebiet sowie die Anzahl der Symposien und wissenschaftliche Konferenzen und Schulen wächst exponentiell.

Um die Prozesse zu verstehen, die in einem photonischen Kristall ablaufen, kann man ihn mit einem Halbleiterkristall vergleichen und die Ausbreitung von Photonen mit der Bewegung von Ladungsträgern - Elektronen und Löchern. Beispielsweise befinden sich in idealem Silizium Atome in einer diamantähnlichen Kristallstruktur, und gemäß der Bandtheorie eines Festkörpers interagieren geladene Ladungsträger, die sich durch den Kristall ausbreiten, mit dem periodischen Potential des Feldes der Atomkerne. Dies ist der Grund für die Bildung erlaubter und verbotener Bänder – die Quantenmechanik verbietet die Existenz von Elektronen mit Energien, die einem Energiebereich entsprechen, der als Bandlücke bezeichnet wird. Ähnlich wie herkömmliche Kristalle enthalten photonische Kristalle eine hochsymmetrische Elementarzellenstruktur. Wenn außerdem die Struktur eines gewöhnlichen Kristalls durch die Positionen von Atomen im Kristallgitter bestimmt wird, dann wird die Struktur eines photonischen Kristalls durch die periodische räumliche Modulation der Dielektrizitätskonstante des Mediums bestimmt (die Modulationsskala ist vergleichbar mit der Wellenlänge der Wechselwirkungsstrahlung).

Photonische Leiter, Isolatoren, Halbleiter und Supraleiter

Um die Analogie fortzusetzen, können photonische Kristalle in Leiter, Isolatoren, Halbleiter und Supraleiter unterteilt werden.

Photonische Leiter haben breite erlaubte Bänder. Dies sind transparente Körper, in denen Licht eine lange Strecke zurücklegt, ohne praktisch absorbiert zu werden. Eine andere Klasse von photonischen Kristallen, photonische Isolatoren, hat breite Bandlücken. Diese Bedingung wird beispielsweise durch dielektrische Vielschichtspiegel mit großem Bereich erfüllt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen undurchsichtigen Medien, in denen Licht schnell in Wärme zerfällt, absorbieren photonische Isolatoren kein Licht. Photonische Halbleiter haben im Vergleich zu Isolatoren schmalere Bandlücken.

Wellenleiter auf Basis photonischer Kristalle werden zur Herstellung photonischer Textilien verwendet (Bild). Solche Textilien sind gerade erschienen, und selbst der Umfang ihrer Anwendung ist noch nicht vollständig realisiert. Daraus können Sie zum Beispiel interaktive Kleidung machen oder Sie können ein weiches Display erstellen

Foto: emt-photoniccrystal.blogspot.com

Obwohl sich die Idee der photonischen Bänder und photonischen Kristalle erst in den letzten Jahren in der Optik etabliert hat, sind die Eigenschaften von Strukturen mit schichtweiser Änderung des Brechungsindex den Physikern schon lange bekannt. Eine der ersten praktisch wichtigen Anwendungen solcher Strukturen war die Herstellung von Beschichtungen mit einzigartigen optischen Eigenschaften, die verwendet werden, um hocheffiziente Spektralfilter zu erzeugen und unerwünschte Reflexionen von optischen Elementen (solche Optiken werden als beschichtet bezeichnet) und dielektrischen Spiegeln mit einem Reflexionskoeffizienten nahe 100 zu reduzieren %. Als weiteres bekanntes Beispiel für photonische 1D-Strukturen sind Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung sowie Lichtwellenleiter mit periodischer longitudinaler Modulation physikalischer Parameter (Profil oder Brechungsindex) zu nennen.

Was gewöhnliche Kristalle betrifft, gibt uns die Natur sie sehr großzügig. Photonische Kristalle sind in der Natur eine Rarität. Wenn wir also die einzigartigen Eigenschaften photonischer Kristalle nutzen wollen, sind wir gezwungen, verschiedene Methoden zu ihrer Züchtung zu entwickeln.

Wie man einen photonischen Kristall züchtet

Die Schaffung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls im sichtbaren Wellenlängenbereich war in den letzten zehn Jahren eine der obersten Prioritäten in der Materialwissenschaft, für die sich die meisten Forscher auf zwei grundlegend unterschiedliche Ansätze konzentriert haben. Einer von ihnen verwendet die Seed-Template-Methode (Template) - die Template-Methode. Diese Methode schafft die Voraussetzungen für die Selbstorganisation synthetisierter Nanosysteme. Die zweite Methode ist die Nanolithographie.

Unter der ersten Gruppe von Methoden sind diejenigen am weitesten verbreitet, die als Vorlagen zum Erstellen dienen Feststoffe mit einem periodischen Porensystem werden monodisperse Kolloidkugeln verwendet. Diese Verfahren ermöglichen den Erhalt photonischer Kristalle auf Basis von Metallen, Nichtmetallen, Oxiden, Halbleitern, Polymeren etc. In der ersten Stufe werden kolloidale Kugeln ähnlicher Größe gleichmäßig in Form von dreidimensionalen (manchmal zweidimensionalen) Gerüsten „gepackt“, die anschließend als Vorlagen als Analogon des natürlichen Opals dienen. Im zweiten Schritt werden Hohlräume in der Templatstruktur mit Flüssigkeit imprägniert, die sich anschließend unter verschiedenen physikalischen und chemischen Einflüssen in ein festes Gerüst verwandelt. Andere Verfahren zum Füllen von Schablonenhohlräumen mit einer Substanz sind entweder elektrochemische Verfahren oder das CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition).

In der letzten Stufe wird das Templat (Kolloidkugeln) je nach Natur durch Auflösungs- oder thermische Zersetzungsprozesse entfernt. Die resultierenden Strukturen werden oft als umgekehrte Nachbildungen der ursprünglichen kolloidalen Kristalle oder "umgekehrte Opale" bezeichnet.

Für den praktischen Einsatz sollten defektfreie Bereiche in einem photonischen Kristall 1000 µm2 nicht überschreiten. Daher ist das Problem der Anordnung von sphärischen Quarz- und Polymerpartikeln eines der wichtigsten bei der Herstellung photonischer Kristalle.

In der zweiten Gruppe von Verfahren ermöglichen die Einzelphotonen-Photolithographie und die Zwei-Photonen-Photolithographie die Herstellung dreidimensionaler photonischer Kristalle mit einer Auflösung von 200 nm und nutzen die Eigenschaft einiger Materialien, wie beispielsweise Polymere, die empfindlich auf Ein- und Zwei-Photonen-Bestrahlung und können unter dem Einfluss dieser Strahlung ihre Eigenschaften verändern. Die Elektronenstrahllithographie ist eine teure, aber hochpräzise Technik zur Herstellung zweidimensionaler photonischer Kristalle. Bei diesem Verfahren wird ein Photolack, der unter Einwirkung eines Elektronenstrahls seine Eigenschaften ändert, an bestimmten Stellen mit dem Strahl bestrahlt, um eine räumliche Maske zu bilden. Nach der Bestrahlung wird ein Teil des Fotolacks abgewaschen und der Rest als Maske zum Ätzen im nachfolgenden technologischen Zyklus verwendet. Die maximale Auflösung dieser Methode beträgt 10nm. Die Ionenstrahllithographie ist im Prinzip ähnlich, nur wird anstelle eines Elektronenstrahls ein Ionenstrahl verwendet. Die Vorteile der Ionenstrahl-Lithographie gegenüber der Elektronenstrahl-Lithographie bestehen darin, dass der Fotolack empfindlicher für Ionenstrahlen als für Elektronenstrahlen ist und es keinen "Näherungseffekt" gibt, der die kleinstmögliche Flächengröße bei der Elektronenstrahl-Lithographie einschränkt.

Lassen Sie uns auch einige andere Methoden zum Züchten photonischer Kristalle erwähnen. Dazu gehören Verfahren zur spontanen Bildung photonischer Kristalle, Ätzverfahren und holographische Verfahren.

Photonen Zukunft

Prognosen sind ebenso gefährlich wie verlockend. Vorhersagen über die Zukunft von photonischen Kristallgeräten sind jedoch sehr optimistisch. Das Anwendungsgebiet photonischer Kristalle ist praktisch unerschöpflich. Derzeit sind bereits Geräte oder Materialien auf dem Weltmarkt erschienen (oder werden in naher Zukunft erscheinen), die die einzigartigen Eigenschaften von photonischen Kristallen nutzen. Dies sind Laser mit photonischen Kristallen (niederschwellige und nicht-schwellige Laser); Wellenleiter basierend auf photonischen Kristallen (sie sind kompakter und haben geringere Verluste im Vergleich zu herkömmlichen Fasern); Materialien mit negativem Brechungsindex, die es ermöglichen, Licht auf einen Punkt zu fokussieren, der kleiner als eine Wellenlänge ist; der Traum der Physiker - Superprismen; optische Speicher und logische Geräte; Displays basierend auf photonischen Kristallen. Photonische Kristalle führen auch Farbmanipulationen durch. Es wurde bereits ein biegbares großformatiges Display auf photonischen Kristallen mit einem hohen Spektralbereich von Infrarotstrahlung bis Ultraviolettstrahlung entwickelt, bei dem jeder Pixel ein photonischer Kristall ist – eine Anordnung von Silizium-Mikrokügelchen, die sich streng definiert im Raum befinden. Photonische Supraleiter entstehen. Solche Supraleiter können verwendet werden, um optische Temperatursensoren herzustellen, die wiederum bei hohen Frequenzen arbeiten und mit photonischen Isolatoren und Halbleitern kompatibel sind.

Der Mensch plant nur die technologische Nutzung von photonischen Kristallen, und die Seemaus (Aphrodite aculeata) setzt sie schon lange in die Praxis um. Das Fell dieses Wurms weist ein so ausgeprägtes Schillern auf, dass es Licht mit einer Effizienz von nahezu 100 % im gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums – von Rot über Grün bis Blau – selektiv reflektieren kann. Solch ein spezialisierter optischer Computer "an Bord" hilft diesem Wurm, in einer Tiefe von bis zu 500 m zu überleben. Es kann mit Sicherheit gesagt werden, dass die menschliche Intelligenz in der Nutzung noch viel weiter gehen wird Einzigartige Eigenschaften Photonische Kristalle.

2014 G.

Photonische Kristalle

Photonische Kristalle (PCs) sind Strukturen, die durch eine periodische Änderung der Permittivität im Raum gekennzeichnet sind. Die optischen Eigenschaften von PCs unterscheiden sich stark von den optischen Eigenschaften von Endlosmedien. Die Ausbreitung von Strahlung in einem photonischen Kristall ähnelt aufgrund der Periodizität des Mediums der Bewegung eines Elektrons in einem gewöhnlichen Kristall unter der Wirkung eines periodischen Potentials. Infolgedessen haben elektromagnetische Wellen in photonischen Kristallen ein Bandspektrum und eine Koordinatenabhängigkeit ähnlich den Bloch-Wellen von Elektronen in gewöhnlichen Kristallen. Unter bestimmten Bedingungen bilden sich Lücken in der Bandstruktur eines PCs, ähnlich wie verbotene elektronische Bänder in natürlichen Kristallen. Abhängig von den spezifischen Eigenschaften (Material der Elemente, ihrer Größe und Gitterperiode) kann das PC-Spektrum sowohl vollständig frequenzverbotene Zonen bilden, für die eine Strahlungsausbreitung unabhängig von ihrer Polarisation und Richtung unmöglich ist, als auch teilweise verbotene ( Haltezonen), in denen sich nur in ausgewählte Richtungen ausbreiten kann.

Photonische Kristalle sind sowohl aus grundsätzlicher Sicht als auch für zahlreiche Anwendungen interessant. Auf der Grundlage von photonischen Kristallen, optischen Filtern, Wellenleitern (insbesondere in faseroptischen Kommunikationsleitungen), Geräten, die eine Steuerung der Wärmestrahlung ermöglichen, werden Laserdesigns mit einer niedrigeren Pumpschwelle auf der Grundlage von photonischen Kristallen vorgeschlagen.

Neben der Änderung der Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsspektren weisen metalldielektrische photonische Kristalle eine spezifische Dichte an photonischen Zuständen auf. Die veränderte Zustandsdichte kann die Lebensdauer des angeregten Zustands eines Atoms oder Moleküls, das sich in einem photonischen Kristall befindet, erheblich beeinflussen und folglich die Art der Lumineszenz verändern. Fällt beispielsweise die Übergangsfrequenz in einem Indikatormolekül, das sich in einem photonischen Kristall befindet, in die Bandlücke, so wird die Lumineszenz bei dieser Frequenz unterdrückt.

FCs werden in drei Typen unterteilt: eindimensional, zweidimensional und dreidimensional.

Ein-, zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle. Verschiedene Farben passen zu Materialien verschiedene Werte Permittivität.

Eindimensional sind PCs mit abwechselnden Schichten aus unterschiedlichen Materialien.

Elektronenbild eines eindimensionalen PC, der in einem Laser als Bragg-Mehrschichtspiegel verwendet wird.

Zweidimensionale FKs können vielfältigere Geometrien haben. Dazu gehören zum Beispiel Reihen von Zylindern unendlicher Länge (ihre Querabmessung ist viel kleiner als die Längsabmessung) oder periodische Systeme zylindrischer Löcher.

Elektronische Bilder, zweidimensionaler Vorwärts- und Rückwärts-FK mit einem Dreiecksgitter.

Die Strukturen von dreidimensionalen PCs sind sehr vielfältig. Am häufigsten in dieser Kategorie sind künstliche Opale - geordnete Systeme von kugelförmigen Diffusoren. Es gibt zwei Haupttypen von Opalen: gerade und umgekehrte (inverse) Opale. Der Übergang vom direkten Opal zum umgekehrten Opal wird durchgeführt, indem alle kugelförmigen Elemente durch Hohlräume (normalerweise Luft) ersetzt werden, während der Raum zwischen diesen Hohlräumen mit etwas Material gefüllt wird.

Unten ist die Oberfläche eines PCs zu sehen, bei dem es sich um einen geraden Opal mit einem kubischen Gitter handelt, das auf selbstorganisierten kugelförmigen Polystyrol-Mikropartikeln basiert.

Die innere Oberfläche eines PCs mit einem kubischen Gitter, das auf selbstorganisierten kugelförmigen Polystyrol-Mikropartikeln basiert.

Die nächste Struktur ist ein inverser Opal, der als Ergebnis eines mehrstufigen chemischen Prozesses synthetisiert wurde: Selbstorganisation von kugelförmigen Polymerpartikeln, Imprägnierung von Hohlräumen im resultierenden Material mit einer Substanz und Entfernung der Polymermatrix durch chemisches Ätzen.

Die Oberfläche eines inversen Quarzopals. Das Foto wurde unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie erhalten.

Eine andere Art von dreidimensionalen FCs sind Strukturen vom Typ "Holzstapel" (Logpiles), die aus rechteckigen Parallelepipeden bestehen, die in der Regel rechtwinklig gekreuzt sind.

Elektronisches Foto von PC aus Metallquadern.

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Klassifizierung von Verfahren zur Herstellung photonischer Kristalle. Photonische Kristalle sind in der Natur eine Rarität. Sie zeichnen sich durch ein besonderes schillerndes Lichtspiel aus - ein optisches Phänomen namens Irisierung (übersetzt aus dem Griechischen - Regenbogen). Zu diesen Mineralien gehören Calcit, Labradorit und Opal SiO 2 ×n∙H 2 O mit verschiedenen Einschlüssen. Das bekannteste unter ihnen ist Opal - ein Halbedelsteinmineral, das ein kolloidaler Kristall ist, der aus monodispersen kugelförmigen Siliziumoxidkügelchen besteht. Aus dem Lichtspiel in letzterem leitet sich der Begriff Opaleszenz ab, der eine spezielle Art der Strahlungsstreuung bezeichnet, die nur für diesen Kristall charakteristisch ist.

Die Hauptmethoden zur Herstellung photonischer Kristalle umfassen Methoden, die in drei Gruppen eingeteilt werden können:

1. Methoden, die die spontane Bildung photonischer Kristalle nutzen. Diese Gruppe von Verfahren verwendet kolloidale Partikel wie monodisperse Silikon- oder Polystyrolpartikel sowie andere Materialien. Solche Partikel, die sich während des Verdampfens in flüssigem Dampf befinden, werden in einem bestimmten Volumen abgelagert. Wenn sich die Partikel aufeinander ablagern, bilden sie einen dreidimensionalen photonischen Kristall und sind überwiegend in einem flächenzentrierten oder hexagonalen Kristallgitter angeordnet. Auch ein Wabenverfahren ist möglich, das darauf beruht, die Flüssigkeit, in der sich die Partikel befinden, durch kleine Sporen zu filtern. Obwohl es das Wabenverfahren ermöglicht, einen Kristall mit einer relativ hohen Geschwindigkeit zu bilden, die durch die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses durch die Poren bestimmt wird, werden in solchen Kristallen beim Trocknen Defekte gebildet. Es gibt andere Methoden, die die spontane Bildung von photonischen Kristallen nutzen, aber jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Am häufigsten werden diese Verfahren verwendet, um sphärische kolloidale Silikonpartikel abzuscheiden, jedoch ist der resultierende Brechungsindexkontrast relativ gering.

2. Verfahren mit Objektätzung. Diese Gruppe von Verfahren verwendet eine auf der Halbleiteroberfläche gebildete Fotolackmaske, die die Geometrie des Ätzbereichs definiert. Unter Verwendung einer solchen Maske wird der einfachste photonische Kristall durch Ätzen der Oberfläche eines Halbleiters gebildet, der nicht mit einem Fotolack bedeckt ist. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit, Photolithographie mit hoher Auflösung im Bereich von zehn und hundert Nanometern zu verwenden. Außerdem werden Strahlen von fokussierten Ionen, wie etwa Ga, verwendet, um photonische Kristalle durch Ätzen herzustellen. Solche Ionenstrahlen ermöglichen es, einen Teil des Materials ohne den Einsatz von Fotolithografie und zusätzlichem Ätzen zu entfernen. Um die Ätzrate zu erhöhen und ihre Qualität zu verbessern sowie Materialien innerhalb der geätzten Bereiche abzuscheiden, wird eine zusätzliche Behandlung mit den erforderlichen Gasen verwendet.

3. Holographische Verfahren. Solche Methoden basieren auf der Anwendung der Prinzipien der Holographie. Mit Hilfe der Holographie werden periodische Änderungen des Brechungsindex in Raumrichtungen gebildet. Verwenden Sie dazu die Interferenz zweier oder mehrerer kohärenter Wellen, wodurch eine periodische Verteilung der Intensität elektromagnetischer Strahlung entsteht. Eindimensionale photonische Kristalle entstehen durch die Interferenz zweier Wellen. Zweidimensionale und dreidimensionale photonische Kristalle entstehen durch die Interferenz von drei oder mehr Wellen.

Die Wahl eines bestimmten Verfahrens zur Herstellung photonischer Kristalle wird maßgeblich durch die Umstände bestimmt, in welcher Dimension die Struktur hergestellt werden muss – eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional.

Eindimensionale periodische Strukturen. Der einfachste und gebräuchlichste Weg, um eindimensionale periodische Strukturen zu erhalten, ist die schichtweise Vakuumabscheidung polykristalliner Filme aus dielektrischen oder halbleitenden Materialien. Dieses Verfahren hat im Zusammenhang mit der Verwendung periodischer Strukturen bei der Herstellung von Laserspiegeln und Interferenzfiltern weite Verbreitung gefunden. In solchen Strukturen ist es bei Verwendung von Materialien mit Brechungsindizes, die sich um etwa das Zweifache unterscheiden (z. B. ZnSe und Na 3 AlF 6 ), möglich, spektrale Reflexionsbänder (photonische Bandlücken) mit einer Breite von bis zu 300 nm zu erzeugen, die fast die gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums.

Erfolge auf dem Gebiet der Synthese von Halbleiterheterostrukturen in letzte Jahrzehnte ermöglichen mit den Methoden der Molekularstrahlepitaxie oder der Dampfabscheidung mit metallorganischen Verbindungen vollständig einkristalline Strukturen mit periodischer Änderung des Brechungsindex entlang der Wachstumsrichtung zu erzeugen. Gegenwärtig sind solche Strukturen Teil von Halbleiterlasern mit vertikalen Kavitäten. Das derzeit maximal erreichbare Verhältnis der Brechungsindizes von Materialien entspricht offensichtlich dem GaAs/Al 2 O 3 -Paar und beträgt etwa 2. Es sollte die hohe Perfektion der Kristallstruktur solcher Spiegel und die Genauigkeit der Bildung der Spiegel beachtet werden Schichtdicke auf Höhe einer Gitterperiode (ca. 0,5 nm).

Kürzlich wurde die Möglichkeit demonstriert, periodische eindimensionale Halbleiterstrukturen unter Verwendung einer photolithographischen Maske und selektivem Ätzen zu erzeugen. Beim Ätzen von Silizium können Strukturen mit einer Periode in der Größenordnung von 1 μm oder mehr erzeugt werden, während das Verhältnis der Brechungsindizes von Silizium und Luft im nahen Infrarotbereich 3,4 beträgt - beispiellos sehr wichtig, unerreichbar durch andere Syntheseverfahren. Ein Beispiel für eine ähnliche Struktur, die am Physikalisch-Technischen Institut erhalten wurde. A. F. Ioffe RAS (St. Petersburg), ist in Abb. 1 dargestellt. 3,96.

Reis. 3,96. Periodische Silizium-Luft-Struktur, erhalten durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer fotolithografischen Maske (Strukturperiode 8 µm)

Zweidimensionale periodische Strukturen. Zweidimensionale periodische Strukturen können durch selektives Ätzen von Halbleitern, Metallen und Dielektrika hergestellt werden. Die Technologie des selektiven Ätzens wurde für Silizium und Aluminium aufgrund der breiten Verwendung dieser Materialien in der Mikroelektronik entwickelt. Poröses Silizium beispielsweise gilt als vielversprechendes optisches Material, das die Realisierung integrierter optoelektronischer Systeme mit hohem Integrationsgrad ermöglichen wird. Die Kombination fortschrittlicher Siliziumtechnologien mit Quantengrößeneffekten und den Prinzipien der Bildung von photonischen Bandlücken hat zur Entwicklung einer neuen Richtung geführt - der Siliziumphotonik.

Die Verwendung von Submikron-Lithographie zur Bildung von Masken macht es möglich, Siliziumstrukturen mit einer Periode von 300 nm oder weniger zu erzeugen. Aufgrund der starken Absorption sichtbarer Strahlung können photonische Siliziumkristalle nur im nahen und mittleren Infrarotbereich des Spektrums verwendet werden. Die Kombination von Ätzen und Oxidieren ermöglicht zwar prinzipiell, zu periodischen Siliziumoxid-Luft-Strukturen zu gelangen, gleichzeitig erlaubt das niedrige Brechungsindexverhältnis (Komponente 1,45) jedoch nicht die Ausbildung einer vollwertigen Bandlücke in zwei Dimensionen.

Vielversprechend erscheinen zweidimensionale periodische Strukturen von A 3 B 5 -Halbleiterverbindungen, die ebenfalls durch selektives Ätzen mit lithographischen Masken oder Templaten erhalten werden. A 3 B 5 -Verbindungen sind die Hauptmaterialien der modernen Optoelektronik. InP- und GaAs-Verbindungen haben eine größere Bandlücke als Silizium und die gleichen hohen Brechungsindexwerte wie Silizium, die 3,55 bzw. 3,6 betragen.

Sehr interessant sind periodische Strukturen auf der Basis von Aluminiumoxid (Abb. 3.97a). Sie werden durch elektrochemisches Ätzen von metallischem Aluminium erhalten, auf dessen Oberfläche durch Lithographie eine Maske gebildet wird. Unter Verwendung elektronenlithografischer Schablonen wurden perfekte zweidimensionale periodische Strukturen erhalten, die Waben mit einem Porendurchmesser von weniger als 100 nm ähneln. Zu beachten ist, dass durch selektives Ätzen von Aluminium unter einer bestimmten Kombination von Ätzbedingungen regelmäßige Strukturen auch ohne Verwendung von Masken oder Schablonen erhalten werden können (Abb. 3.97b). Der Porendurchmesser kann dabei nur wenige Nanometer betragen, was für moderne lithographische Verfahren unerreichbar ist. Die Periodizität der Poren hängt mit der Selbstregulierung des Aluminiumoxidationsprozesses während der elektrochemischen Reaktion zusammen. Das anfänglich leitfähige Material (Aluminium) wird während der Reaktion zu Al 2 O 3 oxidiert. Der Aluminiumoxidfilm, der ein Dielektrikum ist, reduziert den Strom und verlangsamt die Reaktion. Die Kombination dieser Prozesse ermöglicht eine selbsterhaltende Reaktionsweise, bei der durch den Stromdurchgang durch die Poren ein kontinuierliches Ätzen ermöglicht wird und das Reaktionsprodukt eine regelmäßige Wabenstruktur bildet. Eine gewisse Unregelmäßigkeit der Poren (Abb. 3.97b) ist auf die körnige Struktur des ursprünglichen polykristallinen Aluminiumfilms zurückzuführen.

Reis. 3,97. Zweidimensionaler photonischer Kristall aus Al 2 O 3: a) hergestellt unter Verwendung einer lithographischen Maske; b) mit Hilfe der Selbstregulierung des Oxidationsprozesses hergestellt

Eine Untersuchung der optischen Eigenschaften von nanoporösem Aluminiumoxid zeigte eine ungewöhnlich hohe Transparenz dieses Materials entlang der Porenrichtung. Das Fehlen der Fresnel-Reflexion, die zwangsläufig an der Grenzfläche zwischen zwei kontinuierlichen Medien vorhanden ist, führt zu Transmissionswerten von bis zu 98 %. In Richtungen senkrecht zu den Poren wird eine hohe Reflexion mit einem vom Einfallswinkel abhängigen Reflexionskoeffizienten beobachtet.

Die relativ niedrigen Werte der Permittivität von Aluminiumoxid, im Gegensatz zu Silizium, Galliumarsenid und Indiumphosphid, erlauben keine Ausbildung einer vollwertigen Bandlücke in zwei Dimensionen. Trotzdem sind die optischen Eigenschaften von porösem Aluminiumoxid recht interessant. So hat es zum Beispiel eine ausgeprägte anisotrope Lichtstreuung sowie Doppelbrechung, die es ermöglicht, die Polarisationsebene zu drehen. Durch verschiedene chemische Verfahren ist es möglich, die Poren mit verschiedenen Oxiden sowie optisch zu füllen aktive Materialien B. nichtlineare optische Medien, organische und anorganische Leuchtstoffe, elektrolumineszierende Verbindungen.

Dreidimensionale periodische Strukturen. Dreidimensionale periodische Strukturen sind Objekte, die die größten technologischen Schwierigkeiten für die experimentelle Umsetzung haben. Historisch gesehen wird als erste Methode zur Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls die von E. Yablonovich vorgeschlagene Methode angesehen, die auf dem mechanischen Bohren zylindrischer Löcher in das Volumen des Materials basiert. Die Herstellung einer solchen dreidimensionalen periodischen Struktur ist eine ziemlich mühsame Aufgabe, daher haben viele Forscher versucht, einen photonischen Kristall mit anderen Methoden herzustellen. So wird beim Lin-Fleming-Verfahren eine Schicht aus Siliziumdioxid auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht, in dem dann parallel verlaufende Streifen gebildet werden, die mit polykristallinem Silizium gefüllt sind. Ferner wird der Prozess des Aufbringens von Siliziumdioxid wiederholt, aber die Streifen werden in einer senkrechten Richtung gebildet. Nach dem Erstellen der erforderlichen Anzahl von Schichten wird Siliziumoxid durch Ätzen entfernt. Dadurch entsteht ein „Holzhaufen“ aus Polysiliziumstäben (Abb. 3.98). Zu beachten ist, dass die Verwendung moderne Methoden Submikron-Elektronenlithographie und anisotropes Ionenätzen ermöglichen es, photonische Kristalle mit einer Dicke von weniger als 10 strukturellen Zellen zu erhalten.

Reis. 3,98. Photonische 3D-Struktur aus Polysiliziumstäben

Methoden zur Herstellung photonischer Kristalle für den sichtbaren Bereich, basierend auf der Verwendung von selbstorganisierenden Strukturen, haben sich weit verbreitet. Schon die Idee, photonische Kristalle aus Kügelchen (Kugeln) zu „zusammenbauen“, ist der Natur entlehnt. So ist beispielsweise bekannt, dass natürliche Opale die Eigenschaften photonischer Kristalle besitzen. Natürlicher Mineralopal chemische Zusammensetzung ist ein Hydrogel aus Siliziumdioxid SiO 2 × H 2 O mit variablem Wassergehalt: SiO 2 - 65 - 90 Gew. %; H 2 O - 4,5–20 %; Al 2 O 3 - bis zu 9 %; Fe 2 O 3 - bis zu 3%; TiO 2 - bis zu 5%. Mittels Elektronenmikroskopie wurde festgestellt, dass natürliche Opale aus dicht gepackten kugelförmigen Partikeln aus α-SiO 2 mit einheitlicher Größe und einem Durchmesser von 150–450 nm bestehen. Jedes Partikel besteht aus kleineren kugelförmigen Gebilden mit einem Durchmesser von 5–50 nm. Die Kugelpackungshohlräume sind mit amorphem Siliziumoxid gefüllt. Die Intensität des gebeugten Lichts wird durch zwei Faktoren beeinflusst: Zum einen durch die "ideale" dichte Kugelpackung, zum anderen durch den Unterschied der Brechungsindizes von amorphem und kristallinem Oxid SiO 2 . Bestes Spiel edle schwarze Opale haben Licht (für sie beträgt der Unterschied der Brechungsindizes ~ 0,02).

Kugelförmige photonische Kristalle können aus kolloidalen Teilchen auf verschiedene Weise hergestellt werden: natürliche Sedimentation (Ausfällung einer dispergierten Phase in einer Flüssigkeit oder einem Gas unter Einwirkung eines Gravitationsfeldes oder Zentrifugalkräften), Zentrifugation, Filtration mit Membranen, Elektrophorese usw. Kugelförmige Teilchen wirken als kolloidale Teilchen Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Teilchen aus Siliziumdioxid α-SiO 2 .

Die Methode der natürlichen Ausfällung ist ein sehr langsamer Prozess, der mehrere Wochen oder sogar Monate in Anspruch nimmt. Die Zentrifugation beschleunigt den Prozess der Bildung kolloidaler Kristalle in hohem Maße, aber die auf diese Weise erhaltenen Materialien sind seit wann weniger geordnet schnelle Geschwindigkeit Ausscheidung Trennung von Partikeln nach Größe hat keine Zeit zu erfolgen. Um den Sedimentationsprozess zu beschleunigen, wird Elektrophorese eingesetzt: Es wird ein vertikales elektrisches Feld erzeugt, das die Schwerkraft der Partikel je nach Größe „ändert“. Es werden auch Methoden verwendet, die auf der Nutzung von Kapillarkräften basieren. Die Hauptidee ist, dass unter Einwirkung von Kapillarkräften an der Meniskusgrenze zwischen dem vertikalen Substrat und der Suspension eine Kristallisation auftritt und beim Verdampfen des Lösungsmittels eine fein geordnete Struktur entsteht. Zusätzlich wird ein vertikaler Temperaturgradient verwendet, der es ermöglicht, die Geschwindigkeit des Prozesses und die Qualität des erzeugten Kristalls aufgrund von Konvektionsströmen besser zu optimieren. Im Allgemeinen wird die Wahl der Technik durch die Anforderungen an die Qualität der resultierenden Kristalle und den Zeitaufwand für ihre Herstellung bestimmt.

Technologischer Prozess Der Anbau synthetischer Opale durch natürliche Sedimentation kann in mehrere Phasen unterteilt werden. Zunächst wird eine monodisperse (~5 % Abweichung im Durchmesser) Suspension von kugelförmigen Siliziumoxid-Kügelchen hergestellt. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser kann über einen weiten Bereich variieren: von 200 bis 1000 nm. Das bekannteste Verfahren zum Erhalt von monodispersen kolloidalen Siliciumdioxid-Mikropartikeln basiert auf der Hydrolyse von Tetraethoxysilan Si(C 2 H 4 OH) 4 in einem Wasser-Alkohol-Medium in Gegenwart von Ammoniumhydroxid als Katalysator. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Partikel mit glatter Oberfläche von nahezu idealer Kugelform mit zu erhalten ein hohes Maß Monodispersität (weniger als 3 % Abweichung im Durchmesser) sowie zur Erzeugung von Partikeln mit Größen von weniger als 200 nm mit enger Größenverteilung. Die innere Struktur solcher Partikel ist fraktal: Die Partikel bestehen aus dicht gepackten kleineren Kugeln (einiger Durchmesser von mehreren zehn Nanometern), und jede dieser Kugeln wird von Silizium-Polyhydroxo-Komplexen gebildet, die aus 10–100 Atomen bestehen.

Die nächste Stufe ist die Abscheidung von Partikeln (Abb. 3.99). Sie kann mehrere Monate dauern. Nach Abschluss des Abscheidungsschritts wird eine dicht gepackte periodische Struktur gebildet. Als nächstes wird der Niederschlag getrocknet und bei einer Temperatur von etwa 600 ° C getempert. Beim Glühen erweichen und verformen sich die Kugeln an den Berührungspunkten. Dadurch ist die Porosität synthetischer Opale geringer als bei einer ideal dichten Kugelpackung. Senkrecht zur Richtung der Wachstumsachse des photonischen Kristalls bilden die Kügelchen hochgeordnete, hexagonal dicht gepackte Schichten.

Reis. 3,99. Stadien des Wachstums synthetischer Opale: a) Ablagerung von Partikeln;

b) Trocknen des Niederschlags; c) Probenglühen

Auf Abb. 3.100a zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines synthetischen Opals, die durch Rasterelektronenmikroskopie erhalten wurde. Die Abmessungen der Kugeln betragen 855 nm. Das Vorhandensein offener Porosität in synthetischen Opalen ermöglicht es, Hohlräume mit verschiedenen Materialien zu füllen. Opalmatrizen sind dreidimensionale Untergitter aus miteinander verbundenen Poren im Nanobereich. Die Porengrößen liegen in der Größenordnung von Hunderten von Nanometern, und die Größen der Kanäle, die die Poren verbinden, erreichen mehrere zehn Nanometer. Auf diese Weise werden Nanokomposite auf Basis photonischer Kristalle erhalten. Die Hauptanforderung bei der Herstellung hochwertiger Nanokomposite ist die Vollständigkeit der Füllung des nanoporösen Raums. Das Füllen erfolgt nach verschiedenen Methoden: Einbringen aus einer Lösung in die Schmelze; Imprägnieren mit konzentrierten Lösungen, gefolgt von Verdampfen des Lösungsmittels; elektrochemische Verfahren, chemische Gasphasenabscheidung usw.

Reis. 3.100. Mikrofotografien von photonischen Kristallen: a) von synthetischem Opal;

b) aus Polystyrol-Mikrokügelchen

Das selektive Ätzen von Siliziumoxid aus solchen Verbundwerkstoffen führt zur Bildung räumlich geordneter Nanostrukturen mit hoher Porosität (mehr als 74 % des Volumens), die als umgekehrte oder invertierte Opale bezeichnet werden. Diese Methode Der Erhalt photonischer Kristalle wird als Templatmethode bezeichnet. Als geordnete monodisperse kolloidale Teilchen, die einen photonischen Kristall bilden, können nicht nur Siliziumoxid-Teilchen, sondern beispielsweise auch polymere fungieren. Ein Beispiel für einen photonischen Kristall auf der Basis von Polystyrol-Mikrokugeln ist in Abb. 1 gezeigt. 3.100b