2

Úvod Od staroveku človeka, ktorý našiel fotonický kryštál, fascinovala zvláštna dúhová hra svetla v ňom. Zistilo sa, že dúhové prepady šupín a peria rôznych zvierat a hmyzu sú spôsobené existenciou nadstavieb na nich, ktoré pre svoje reflexné vlastnosti dostali názov fotonické kryštály. Fotonické kryštály sa v prírode nachádzajú v/na: mineráloch (kalcit, labradorit, opál); na krídlach motýľov; škrupiny chrobákov; oči niektorých druhov hmyzu; riasy; rybie šupiny; pávie perá. 3

Fotonické kryštály Ide o materiál, ktorého štruktúra je charakterizovaná periodickou zmenou indexu lomu v priestorových smeroch Fotonický kryštál na báze oxidu hlinitého. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH A COSTAS M. SOUKOULIS „Priame laserové písanie trojrozmerných fotonických kryštálových šablón pre telekomunikácie“// Prírodné materiály Vol. 3, P

Trochu histórie… 1887 Rayleigh bol prvý, kto skúmal šírenie elektromagnetických vĺn v periodických štruktúrach, čo je analógia jednorozmerného fotonického kryštálu Photonic Crystals – termín bol zavedený koncom 80. rokov 20. storočia. na označenie optického analógu polovodičov. Ide o umelé kryštály vyrobené z priesvitného dielektrika, v ktorom sú usporiadane vytvorené vzduchové „diery“. 5

Fotonické kryštály – budúcnosť svetovej energetiky Vysokoteplotné fotonické kryštály môžu pôsobiť nielen ako zdroj energie, ale aj ako mimoriadne kvalitné detektory (energetické, chemické) a senzory. Fotonické kryštály vytvorené vedcami z Massachusetts sú založené na volfráme a tantale. Toto spojenie je schopné uspokojivo fungovať pri veľmi vysoké teploty. Až do ˚С. Na to, aby fotonický kryštál začal premieňať jeden typ energie na iný, vhodný na použitie, postačí akýkoľvek zdroj (tepelné, rádiové vyžarovanie, tvrdé žiarenie, slnečné svetlo atď.). 6

7

Zákon rozptylu elektromagnetických vĺn vo fotonickom kryštáli (diagram rozšírených zón). Pravá strana zobrazuje pre daný smer v kryštáli vzťah medzi frekvenciou? a hodnoty ReQ (plné krivky) a ImQ (prerušovaná krivka v stop zóne omega -

Teória fotonickej medzery Až v roku 1987 Eli Yablonovitch z Bell Communications Research (teraz profesor na UCLA) predstavil pojem elektromagnetickej medzery v pásme. Na rozšírenie obzorov: Prednáška Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Prednáška Johna Pendryho john-pendry-imperial-college/view 9

V prírode sa nachádzajú aj fotonické kryštály: na krídlach afrických lastovičníkových motýľov perleťový povlak lastúr mäkkýšov, ako sú galiotis, mreny morskej myši a štetiny mnohoštetinavca. Fotografia opálového náramku. Opál je prírodný fotonický kryštál. Hovorí sa mu „kameň klamných nádejí“ 10

11

Žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentového povlaku" title="(!LANG: Výhody filtrov na báze FA oproti absorpčnému mechanizmu (absorpčnému mechanizmu) pre živé organizmy: Rušivé farbenie nevyžaduje absorpciu a rozptyl svetelnej energie, => žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentového povlaku" class="link_thumb"> 12 !} Výhody filtrov na báze FA oproti absorpčnému mechanizmu (absorpčnému mechanizmu) pre živé organizmy: Rušivé farbenie nevyžaduje absorpciu a rozptyl svetelnej energie, => žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentového povlaku. Motýle žijúce v horúcom podnebí majú dúhový vzor krídel a zistilo sa, že štruktúra fotonického kryštálu na povrchu znižuje absorpciu svetla a tým aj zahrievanie krídel. Morská myš už dlho používa fotonické kryštály. 12 žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentového povlaku "> žiadne zahrievanie a fotochemické ničenie pigmentového povlaku. Motýle žijúce v horúcom podnebí majú dúhový vzor krídel a štruktúra fotonického kryštálu na povrchu, ako sa ukázalo, znižuje absorpcia svetla a následne zahrievanie krídel.Moorská myš už v praxi fotonické kryštály dlhodobo používa. => žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentu"> title="Výhody filtrov na báze FA oproti absorpčnému mechanizmu (absorpčný mechanizmus) pre živé organizmy: Rušivé farbenie nevyžaduje absorpciu a rozptyl svetelnej energie, => žiadne zahrievanie a fotochemická deštrukcia pigmentového povlaku"> !}

Dúhový motýľ Morpho didius a mikrofotografia jeho krídla ako príklad difrakčnej biologickej mikroštruktúry. Dúhový prírodný opál (polodrahokam) a obraz jeho mikroštruktúry, pozostávajúci z tesne uložených guľôčok oxidu kremičitého. 13

Klasifikácia fotonických kryštálov 1. Jednorozmerné. V ktorom sa index lomu periodicky mení v jednom priestorovom smere, ako je znázornené na obrázku. Na tomto obrázku symbol Λ označuje periódu zmeny indexu lomu a indexov lomu dvoch materiálov (vo všeobecnosti však môže byť prítomný akýkoľvek počet materiálov). Takéto fotonické kryštály pozostávajú z vrstiev rôznych materiálov navzájom rovnobežných s rôznymi indexmi lomu a môžu vykazovať svoje vlastnosti v jednom priestorovom smere kolmom na vrstvy. štrnásť

2. Dvojrozmerný. V ktorých sa index lomu periodicky mení v dvoch priestorových smeroch, ako je znázornené na obrázku. Na tomto obrázku je fotonický kryštál vytvorený pravouhlými oblasťami s indexom lomu n1, ktoré sú v médiu s indexom lomu n2. V tomto prípade sú oblasti s indexom lomu n1 usporiadané v dvojrozmernej kubickej mriežke. Takéto fotonické kryštály môžu vykazovať svoje vlastnosti v dvoch priestorových smeroch a tvar oblastí s indexom lomu n1 nie je obmedzený na obdĺžniky, ako na obrázku, ale môže byť akýkoľvek (kruhy, elipsy, ľubovoľný atď.). Kryštálová mriežka, v ktorej sú tieto oblasti usporiadané, môže byť tiež odlišná, a nie len kubická, ako na obrázku. pätnásť

3. Trojrozmerný. Pri ktorých sa index lomu periodicky mení v troch priestorových smeroch. Takéto fotonické kryštály môžu vykazovať svoje vlastnosti v troch priestorových smeroch a môžu byť reprezentované ako pole objemových oblastí (gule, kocky atď.) usporiadaných v trojrozmernej kryštálovej mriežke. 16

Aplikácie fotonických kryštálov Prvou aplikáciou je separácia spektrálnych kanálov. V mnohých prípadoch po optickom vlákne necestuje jeden, ale niekoľko svetelných signálov. Niekedy ich treba triediť – poslať každý po samostatnej ceste. Napríklad optický telefónny kábel, cez ktorý prebieha niekoľko rozhovorov súčasne na rôzne dĺžky vlny. Fotonický kryštál je ideálnym nástrojom na „vyrezanie“ požadovanej vlnovej dĺžky z prúdu a jej nasmerovanie tam, kde je to potrebné. Druhým je kríž pre svetelné toky. Takéto zariadenie, ktoré chráni svetelné kanály pred vzájomným ovplyvňovaním pri ich fyzickom krížení, je absolútne nevyhnutné pri vytváraní svetelného počítača a svetelných počítačových čipov. 17

Fotonické kryštály v telekomunikáciách Od začiatku prvého vývoja neuplynulo toľko rokov, keď bolo investorom jasné, že fotonické kryštály sú optické materiály zásadne nového typu a že ich čaká svetlá budúcnosť. Výstup vývoja fotonických kryštálov v optickom rozsahu na úroveň komerčného využitia sa s najväčšou pravdepodobnosťou vyskytne v oblasti telekomunikácií. osemnásť

21

Výhody a nevýhody litografických a holografických metód na získanie FC Pluses: vysoká kvalita vytvorenej štruktúry. Vysoká rýchlosť výroby Jednoduchosť hromadnej výroby Nevýhody Potrebné drahé vybavenie Možné zhoršenie ostrosti hrán Ťažko vyrobiteľné nastavenia 22

Zväčšenie v spodnej časti je viditeľná zostávajúca drsnosť rádovo 10 nm. Rovnaká drsnosť je viditeľná na našich šablónach SU-8 vyrobených holografickou litografiou. To jasne ukazuje, že táto drsnosť nesúvisí s výrobným procesom, ale skôr s konečným rozlíšením fotorezistu. 24

Na posunutie základných vlnových dĺžok PBG v telekomunikačnom režime od 1,5 µm do 1,3 µm je potrebné mať v rovine tyčí vzdialenosť rádovo 1 µm alebo menej. Vyrobené vzorky majú problém: tyčinky sa začnú navzájom dotýkať, čo vedie k nežiaducemu veľkému naplneniu frakcie. Riešenie: Zmenšenie priemeru tyčinky, a teda vyplnenie frakcie, leptaním v kyslíkovej plazme 26

Optické vlastnosti PC V dôsledku periodicity prostredia sa šírenie žiarenia vo vnútri fotonického kryštálu podobá pohybu elektrónu vo vnútri obyčajného kryštálu pôsobením periodického potenciálu. Za určitých podmienok sa v pásovej štruktúre PC vytvárajú medzery, podobne ako zakázané elektronické pásy v prírodných kryštáloch. 27

Dvojrozmerný periodický fotonický kryštál sa získa vytvorením periodickej štruktúry vertikálnych dielektrických tyčí usadených do štvorcového hniezda na substráte oxidu kremičitého. Umiestnením „defektov“ do fotonického kryštálu je možné vytvoriť vlnovody, ktoré, ohnuté v akomkoľvek uhle, poskytujú 100% prenos Dvojrozmerné fotonické štruktúry s bandgap 28

Nová metóda na získanie štruktúry s polarizačne citlivými fotonickými zakázanými pásmami Vývoj prístupu ku kombinovaniu štruktúry fotonickej zakázanej zóny s inými optickými a optoelektronickými zariadeniami Pozorovanie hraníc krátkovlnných a dlhovlnných pásiem. Cieľ skúseností je: 29

Hlavnými faktormi, ktoré určujú vlastnosti fotonickej band gap (PBG) štruktúry, sú refrakčný kontrast, podiel vysokých a nízkych materiálových indexov v mriežke a usporiadanie prvkov mriežky. Konfigurácia použitého vlnovodu je porovnateľná s konfiguráciou polovodičového lasera. Pole je veľmi malé (priemer 100 nm) na jadre vlnovodu boli vyleptané otvory, ktoré vytvorili šesťhrannú mriežku 30

Obr. 2a Náčrt mriežky a Brillouinovej zóny znázorňujúci smery symetrie v horizontálnej tesne zbalenej mriežke. b, c Meranie prenosových charakteristík na 19-nm fotonickej mriežke. 31 Brillouinových zón so symetrickými smermi

Obr.4 Fotografie elektrického poľa profilov postupujúcich vĺn zodpovedajúcich pásmu 1 (a) a pásmu 2 (b), v blízkosti bodu K pre polarizáciu TM. V a má pole rovnakú reflexnú symetriu okolo roviny y-z ako rovinná vlna, takže by malo ľahko interagovať s prichádzajúcou rovinnou vlnou. Naproti tomu v b je pole asymetrické, čo neumožňuje túto interakciu. 33

Závery: Štruktúry PBG môžu byť použité ako zrkadlá a prvky na priame riadenie emisie v polovodičových laseroch Demonštrácia konceptov PBG v geometrii vlnovodov umožní realizovať veľmi kompaktné optické prvky nový typ mikrodutín a koncentruje svetlo tak vysoko, že je možné použiť nelineárne efekty 34

Ilya Polishchuk, doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor Moskovského inštitútu fyziky a technológie, vedúci výskumník Národného výskumného centra „Kurčatov inštitút“

Využitie mikroelektroniky v systémoch spracovania informácií a komunikácie zásadne zmenilo svet. Niet pochýb o tom, že dôsledky rozmachu výskumných prác v oblasti fyziky fotonických kryštálov a zariadení na nich založených budú významom porovnateľné s vytvorením integrovanej mikroelektroniky pred viac ako polstoročím. Materiály nového typu umožnia vytvárať optické mikroobvody v „obraze a podobe“ prvkov polovodičovej elektroniky a zásadne nové metódy prenosu, ukladania a spracovania informácií, ktoré sa dnes vyvíjajú na fotonických kryštáloch, zase nájdu aplikácie v polovodičovej elektronike budúcnosti. Niet divu, že táto oblasť výskumu je jednou z najhorúcejších na svete vedeckých centier, high-tech spoločnosti a podniky vojensko-priemyselného komplexu. Rusko, samozrejme, nie je výnimkou. Okrem toho sú fotonické kryštály predmetom efektívne Medzinárodná spolupráca. Ako príklad uveďme viac ako desaťročnú spoluprácu medzi ruským Kintech Lab LLC a známou americkou spoločnosťou General Electric.

História fotonických kryštálov

Historicky sa teória rozptylu fotónov na trojrozmerných mriežkach začala intenzívne rozvíjať z oblasti vlnových dĺžok ? ~ 0,01-1 nm, ktorá leží v oblasti röntgenového žiarenia, kde uzly fotonického kryštálu sú samotné atómy. V roku 1986 Eli Yablonovich z Kalifornskej univerzity v Los Angeles navrhol myšlienku vytvorenia trojrozmernej dielektrickej štruktúry podobnej bežným kryštálom, v ktorej by sa nemohli šíriť elektromagnetické vlny určitého spektrálneho pásma. Takéto štruktúry sa nazývajú fotonické bandgap štruktúry alebo fotonické kryštály. Po 5 rokoch bol takýto fotonický kryštál vyrobený vyvŕtaním milimetrových otvorov do materiálu s vysokým indexom lomu. Takýto umelý kryštál, neskôr nazývaný yablonovit, neprepúšťal žiarenie s milimetrovými vlnami a skutočne realizoval fotonickú štruktúru s zakázaným pásmom (mimochodom, fázované anténne polia možno tiež pripísať rovnakej triede fyzických objektov).

Fotonické štruktúry, v ktorých je zakázané šírenie elektromagnetických (najmä optických) vĺn v určitom frekvenčnom pásme v jednom, dvoch alebo troch smeroch, možno použiť na vytvorenie optických integrovaných zariadení na riadenie týchto vĺn. Ideológia fotonických štruktúr je v súčasnosti základom vytvárania bezprahových polovodičových laserov, laserov založených na iónoch vzácnych zemín, high-Q rezonátorov, optických vlnovodov, spektrálnych filtrov a polarizátorov. Štúdium fotonických kryštálov sa v súčasnosti realizuje vo viac ako dvoch desiatkach krajín vrátane Ruska a počet publikácií v tejto oblasti, ako aj počet sympózií resp. vedeckých konferencií a škôl, rastie exponenciálne.

Aby sme pochopili procesy prebiehajúce vo fotonickom kryštáli, možno ho porovnať s polovodičovým kryštálom a šírenie fotónov s pohybom nosičov náboja - elektrónov a dier. Napríklad v ideálnom kremíku sú atómy umiestnené v kryštálovej štruktúre podobnej diamantu a podľa pásovej teórie pevného skupenstva nabité nosiče, šíriace sa kryštálom, interagujú s periodickým potenciálom poľa atómových jadier. To je dôvod pre vznik povolených a zakázaných pásiem – kvantová mechanika zakazuje existenciu elektrónov s energiami zodpovedajúcimi energetickému rozsahu nazývanému pásmová medzera. Podobne ako bežné kryštály, aj fotonické kryštály obsahujú vysoko symetrickú bunkovú štruktúru. Navyše, ak je štruktúra obyčajného kryštálu určená polohami atómov v kryštálovej mriežke, potom je štruktúra fotonického kryštálu určená periodickou priestorovou moduláciou dielektrickej konštanty média (modulačná stupnica je porovnateľná s vlnová dĺžka interagujúceho žiarenia).

Fotonické vodiče, izolanty, polovodiče a supravodiče

Pokračujúc v analógii, fotonické kryštály možno rozdeliť na vodiče, izolátory, polovodiče a supravodiče.

Fotonické vodiče majú široké povolené pásma. Ide o priehľadné telesá, v ktorých svetlo prechádza na veľkú vzdialenosť bez toho, aby bolo prakticky absorbované. Ďalšia trieda fotonických kryštálov, fotonické izolátory, má široké pásmo. Túto podmienku spĺňajú napríklad širokorozsahové viacvrstvové dielektrické zrkadlá. Na rozdiel od bežných nepriehľadných médií, v ktorých sa svetlo rýchlo mení na teplo, fotonické izolátory svetlo neabsorbujú. Čo sa týka fotonických polovodičov, tie majú v porovnaní s izolantmi užšie zakázané pásmo.

Na výrobu fotonických textílií sa používajú vlnovody založené na fotonických kryštáloch (na obrázku). Takéto textílie sa práve objavili a dokonca ani rozsah ich aplikácie ešte nebol úplne realizovaný. Z nej si môžete vyrobiť napríklad interaktívne oblečenie, alebo si môžete vyrobiť mäkký displej

Foto: emt-photoniccrystal.blogspot.com

Napriek tomu, že myšlienka fotonických pásiem a fotonických kryštálov sa v optike presadila až v posledných rokoch, vlastnosti štruktúr s vrstvenou zmenou indexu lomu sú fyzikom už dávno známe. Jednou z prvých prakticky dôležitých aplikácií takýchto štruktúr bola výroba povlakov s unikátnymi optickými charakteristikami slúžiacimi na vytvorenie vysoko účinných spektrálnych filtrov a zníženie nežiaducich odrazov od optických prvkov (takéto optike sa nazývajú potiahnuté) a dielektrických zrkadiel s koeficientom odrazu blízkym 100 %. Ako ďalší známy príklad 1D fotonických štruktúr možno uviesť polovodičové lasery s distribuovanou spätnou väzbou, ako aj optické vlnovody s periodickou pozdĺžnou moduláciou fyzikálnych parametrov (profil alebo index lomu).

Čo sa týka obyčajných kryštálov, príroda nám ich dáva veľmi štedro. Fotonické kryštály v prírode sú vzácnosťou. Preto, ak chceme využiť jedinečné vlastnosti fotonických kryštálov, sme nútení vyvinúť rôzne metódy na ich pestovanie.

Ako pestovať fotonický kryštál

Vytvorenie trojrozmerného fotonického kryštálu vo viditeľnom rozsahu vlnových dĺžok bolo za posledných desať rokov jednou z hlavných priorít materiálovej vedy, pri ktorej sa väčšina výskumníkov zamerala na dva zásadne odlišné prístupy. Jedna z nich využíva metódu seed template (template) – šablónovú metódu. Táto metóda vytvára predpoklady pre samoorganizáciu syntetizovaných nanosystémov. Druhou metódou je nanolitografia.

Z prvej skupiny metód sú najrozšírenejšie tie, ktoré ako šablóny na tvorbu pevné látky s periodickým systémom pórov sa používajú monodisperzné koloidné guľôčky. Tieto metódy umožňujú získať fotonické kryštály na báze kovov, nekovov, oxidov, polovodičov, polymérov atď. V prvej fáze sú koloidné guľôčky podobnej veľkosti rovnomerne „zabalené“ vo forme trojrozmerných (niekedy dvojrozmerných) štruktúr, ktoré následne fungujú ako šablóny ako analógy prírodného opálu. V druhej fáze sú dutiny v štruktúre šablóny impregnované kvapalinou, ktorá sa následne pod rôznymi fyzikálnymi a chemickými vplyvmi zmení na pevný rám. Iné metódy na vyplnenie dutín šablón látkou sú buď elektrochemické metódy alebo metóda CVD (Chemical Vapour Deposition).

V poslednej fáze sa šablóna (koloidné guľôčky) odstráni v závislosti od jej povahy procesmi rozpúšťania alebo tepelného rozkladu. Výsledné štruktúry sú často označované ako reverzné repliky pôvodných koloidných kryštálov alebo "reverzné opály".

Pre praktické použitie by oblasti bez defektov vo fotonickom kryštáli nemali presiahnuť 1000 µm2. Preto je problém usporiadania kremenných a polymérnych sférických častíc jedným z najdôležitejších pri vytváraní fotonických kryštálov.

V druhej skupine metód jednofotónová fotolitografia a dvojfotónová fotolitografia umožňujú vytváranie trojrozmerných fotonických kryštálov s rozlíšením 200 nm a využívajú vlastnosť niektorých materiálov, ako sú polyméry, ktoré sú citlivé na jedno- a dvojfotónovým žiarením a môžu vplyvom tohto žiarenia meniť svoje vlastnosti. Litografia elektrónovým lúčom je drahá, ale vysoko presná technika na výrobu dvojrozmerných fotonických kryštálov. Pri tejto metóde sa fotorezist, ktorý mení svoje vlastnosti pôsobením elektrónového lúča, ožaruje lúčom na špecifických miestach, aby sa vytvorila priestorová maska. Po ožiarení sa časť fotorezistu zmyje a zvyšok sa použije ako maska ​​na leptanie v nasledujúcom technologickom cykle. Maximálne rozlíšenie tejto metódy je 10nm. Litografia s iónovým lúčom je v princípe podobná, len namiesto elektrónového lúča sa používa iónový lúč. Výhody iónovej lúčovej litografie oproti elektrónovej lúčovej litografii sú v tom, že fotorezist je citlivejší na iónové lúče ako elektrónové lúče a nedochádza k „efektu blízkosti“, ktorý by obmedzoval najmenšiu možnú veľkosť plochy v elektrónovej lúčovej litografii.

Spomeňme aj niektoré ďalšie spôsoby pestovania fotonických kryštálov. Patria sem metódy spontánnej tvorby fotonických kryštálov, metódy leptania a holografické metódy.

Fotónová budúcnosť

Predpovede sú rovnako nebezpečné ako lákavé. Predpovede o budúcnosti zariadení s fotonickým kryštálom sú však veľmi optimistické. Oblasť použitia fotonických kryštálov je prakticky nevyčerpateľná. V súčasnosti sa už na svetovom trhu objavili (alebo sa objavia v blízkej budúcnosti) zariadenia alebo materiály využívajúce unikátne vlastnosti fotonických kryštálov. Ide o lasery s fotonickými kryštálmi (nízkoprahové a bezprahové lasery); vlnovody na báze fotonických kryštálov (sú kompaktnejšie a majú nižšie straty v porovnaní s klasickými vláknami); materiály s negatívnym indexom lomu, ktoré umožňujú sústrediť svetlo na bod menší ako vlnová dĺžka; sen fyzikov - superprizmy; optické pamäťové a logické zariadenia; displeje na báze fotonických kryštálov. Fotonické kryštály budú tiež vykonávať manipuláciu s farbami. Už bol vyvinutý ohýbateľný veľkoformátový displej na báze fotonických kryštálov s vysokým spektrálnym rozsahom, od infračerveného po ultrafialové, v ktorom je každý pixel fotonický kryštál - pole kremíkových mikroguľôčok umiestnených v priestore presne definovaným spôsobom. Vznikajú fotonické supravodiče. Takéto supravodiče možno použiť na vytvorenie optických snímačov teploty, ktoré budú zase pracovať pri vysokých frekvenciách a sú kompatibilné s fotonickými izolátormi a polovodičmi.

Technologické využitie fotonických kryštálov človek len plánuje a morská myš (Aphrodite aculeata) ich už dávno uvádza do praxe. Srsť tohto červa má taký výrazný jav dúhovania, že je schopný selektívne odrážať svetlo s účinnosťou blízkou 100% v celej viditeľnej oblasti spektra - od červenej po zelenú a modrú. Takýto špecializovaný „palubný“ optický počítač pomáha tomuto červovi prežiť v hĺbke až 500 m.. Dá sa s istotou povedať, že ľudská inteligencia pôjde vo využívaní oveľa ďalej jedinečné vlastnosti fotonické kryštály.

2014 G.

Fotonické kryštály

Fotonické kryštály (PC) sú štruktúry charakterizované periodickou zmenou permitivity v priestore. Optické vlastnosti PC sú veľmi odlišné od optických vlastností spojitých médií. Šírenie žiarenia vo vnútri fotonického kryštálu sa v dôsledku periodicity média stáva podobným pohybu elektrónu vo vnútri obyčajného kryštálu pôsobením periodického potenciálu. Výsledkom je, že elektromagnetické vlny vo fotonických kryštáloch majú pásové spektrum a súradnicovú závislosť podobnú Blochovým vlnám elektrónov v bežných kryštáloch. Za určitých podmienok sa v pásovej štruktúre PC vytvárajú medzery, podobne ako zakázané elektronické pásy v prírodných kryštáloch. V závislosti od špecifických vlastností (materiál prvkov, ich veľkosť a perióda mriežky) môže PC spektrum tvoriť tak úplne frekvenčne zakázané zóny, pre ktoré je šírenie žiarenia nemožné bez ohľadu na jeho polarizáciu a smer, ako aj čiastočne zakázané ( stop-zóny), v ktorých sa môžu šíriť len vybranými smermi.

Fotonické kryštály sú zaujímavé tak zo základného hľadiska, ako aj pre mnohé aplikácie. Na báze fotonických kryštálov, optických filtrov, vlnovodov (najmä v optických komunikačných vedeniach), sa vytvárajú a vyvíjajú zariadenia umožňujúce riadenie tepelného žiarenia, boli navrhnuté laserové konštrukcie s nižším prahom pumpy na základe fotonických kryštálov.

Kovovo-dielektrické fotonické kryštály majú okrem zmeny reflexných, transmisných a absorpčných spektier špecifickú hustotu fotonických stavov. Zmenená hustota stavov môže výrazne ovplyvniť životnosť excitovaného stavu atómu alebo molekuly umiestnenej vo vnútri fotonického kryštálu a následne zmeniť charakter luminiscencie. Napríklad, ak prechodová frekvencia v indikátorovej molekule umiestnenej vo fotonickom kryštáli spadne do zakázaného pásma, potom bude luminiscencia na tejto frekvencii potlačená.

FC sú rozdelené do troch typov: jednorozmerné, dvojrozmerné a trojrozmerné.

Jedno-, dvoj- a trojrozmerné fotonické kryštály. Rôzne farby ladia s materiálmi rôzne hodnoty permitivita.

Jednorozmerné sú PC so striedajúcimi sa vrstvami vyrobenými z rôznych materiálov.

Elektrónový obraz jednorozmerného PC použitého v laseri ako Braggovo viacvrstvové zrkadlo.

Dvojrozmerné FK môžu mať rôznorodejšie geometrie. Patria sem napríklad polia valcov nekonečnej dĺžky (ich priečny rozmer je oveľa menší ako pozdĺžny) alebo periodické sústavy valcových otvorov.

Elektronické obrázky, dvojrozmerné dopredné a spätné FK s trojuholníkovou mriežkou.

Štruktúry trojrozmerných počítačov sú veľmi rôznorodé. Najbežnejšie v tejto kategórii sú umelé opály - usporiadané systémy sférických difúzorov. Existujú dva hlavné typy opálov: rovné a reverzné (inverzné) opály. Prechod z priameho opálu na reverzný opál sa uskutočňuje nahradením všetkých guľových prvkov dutinami (zvyčajne vzduchom), pričom priestor medzi týmito dutinami je vyplnený nejakým materiálom.

Nižšie je povrch PC, čo je rovný opál s kubickou mriežkou na báze samoorganizovaných sférických polystyrénových mikročastíc.

Vnútorný povrch PC s kubickou mriežkou na báze samoorganizovaných sférických polystyrénových mikročastíc.

Ďalšou štruktúrou je inverzný opál syntetizovaný ako výsledok viacstupňového chemického procesu: samozostavenie polymérnych sférických častíc, impregnácia dutín vo výslednom materiáli látkou a odstránenie polymérnej matrice chemickým leptaním.

Povrch kremenného inverzného opálu. Fotografia bola získaná pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie.

Iným typom trojrozmerných FC sú štruktúry typu "drevokopy" (zrubové pilóty), tvorené pravouhlými rovnobežnostenmi, ktoré sú spravidla prekrížené v pravom uhle.

Elektronická fotografia PC z kovových rovnobežnostenov.

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Podobné dokumenty

Štúdium procesu výroby fotonických kryštálov ako materiálov, ktorých štruktúra je charakterizovaná periodickou zmenou indexu lomu v priestorových smeroch. Spôsoby výroby: spontánna tvorba, leptanie, holografia.

abstrakt, pridaný 26.01.2011


História vývoja koncepcie tekutých kryštálov. Kvapalné kryštály, ich druhy a hlavné vlastnosti. Optická aktivita tekutých kryštálov a ich štruktúrne vlastnosti. Freedericksz efekt. Fyzikálny princíp činnosti zariadení na LCD. Optický mikrofón.

návod, pridaný 14.12.2010


Stručná informácia na dipólových momentoch atómov a molekúl. Dielektrická permitivita riedeného plynu s nízkou hustotou. Zriedený plyn s polárnymi molekulami. Model systému so spontánnou polarizáciou. Grafické riešenie funkcionálnej rovnice.

abstrakt, pridaný 20.03.2016


Pojem permitivita ako kvantifikácia stupeň polarizácie dielektrika. Závislosť permitivity plynu od polomeru jeho molekúl a ich počtu na jednotku objemu, kvapalné nepolárne dielektrika od teploty a frekvencie.

prezentácia, pridané 28.07.2013


Optické vlákno ako médium na prenos dát. Štruktúra optického vlákna. Parametre optických vlákien: geometrické, optické. Optické vlákna na báze fotonických kryštálov. Prenos veľkých tokov informácií na veľké vzdialenosti.

abstrakt, pridaný 03.03.2004


Štruktúra kryštálov. Úloha, predmet a úlohy fyziky pevných látok. Kryštalické a amorfné telesá. Typy kryštálových mriežok. Typy väzieb v kryštáloch. Kryštalické štruktúry pevných látok. tekuté kryštály. kryštálové defekty.

prednáška, pridané 13.03.2007


Zváženie histórie objavovania a oblastí použitia tekutých kryštálov; ich klasifikácia na smektické, nematické a cholesterické. Štúdium optických, diamagnetických, dielektrických a akusticko-optických vlastností látok z tekutých kryštálov.

semestrálna práca, pridaná 18.06.2012


Pojem kryštalickej (priestorovej) mriežky. Kryštálová štruktúra efektu. Oblasti použitia priemyselných piezofilmov. Reverzný piezoelektrický efekt. Použitie piezoelektrických kryštálov na výrobu elektrickej energie.

ročníková práca, pridaná 14.04.2014

Klasifikácia metód výroby fotonických kryštálov. Fotonické kryštály v prírode sú vzácnosťou. Vyznačujú sa zvláštnou dúhovou hrou svetla - optickým javom nazývaným irizácia (v preklade z gréčtiny - dúha). Medzi tieto minerály patrí kalcit, labradorit a opál SiO 2 × n∙H 2 O s rôznymi inklúziami. Najznámejší z nich je opál - polodrahokam, čo je koloidný kryštál pozostávajúci z monodisperzných sférických guľôčok oxidu kremičitého. Z hry svetla v posledne menovanom pochádza termín opalescencia, označujúci špeciálny typ rozptylu žiarenia charakteristický len pre tento kryštál.

Medzi hlavné metódy výroby fotonických kryštálov patria metódy, ktoré možno rozdeliť do troch skupín:

1. Metódy využívajúce spontánnu tvorbu fotonických kryštálov. Táto skupina metód využíva koloidné častice, ako sú monodisperzné silikónové alebo polystyrénové častice, ako aj iné materiály. Takéto častice, ktoré sú počas odparovania v kvapalnej pare, sa ukladajú v určitom objeme. Keď sa častice usadia na sebe, vytvoria trojrozmerný fotonický kryštál a sú usporiadané prevažne v plošne centrovanej alebo hexagonálnej kryštálovej mriežke. Možná je aj voštinová metóda, ktorá je založená na filtrovaní tekutiny, v ktorej sa častice nachádzajú, cez malé spóry. Voštinová metóda síce umožňuje vytvárať kryštály relatívne vysokou rýchlosťou, ktorá je určená rýchlosťou prietoku kvapaliny cez póry, pri sušení sa však v takýchto kryštáloch tvoria defekty. Existujú aj iné metódy, ktoré využívajú spontánnu tvorbu fotonických kryštálov, ale každá metóda má svoje výhody a nevýhody. Najčastejšie sa tieto metódy používajú na nanášanie sférických koloidných silikónových častíc, avšak výsledný kontrast indexu lomu je relatívne malý.

2. Metódy využívajúce leptanie objektov. Táto skupina metód využíva fotorezistickú masku vytvorenú na povrchu polovodiča, ktorá definuje geometriu leptanej oblasti. Pomocou takejto masky sa vytvorí najjednoduchší fotonický kryštál leptaním povrchu polovodiča, ktorý nie je pokrytý fotorezistom. Nevýhodou tejto metódy je nutnosť použitia fotolitografie s vysokým rozlíšením na úrovni desiatok a stoviek nanometrov. Tiež lúče zaostrených iónov, ako je Ga, sa používajú na výrobu fotonických kryštálov leptaním. Takéto iónové lúče umožňujú odstrániť časť materiálu bez použitia fotolitografie a dodatočného leptania. Na zvýšenie rýchlosti leptania a zlepšenie jeho kvality, ako aj na uloženie materiálov vo vnútri leptaných oblastí sa používa dodatočná úprava potrebnými plynmi.

3. Holografické metódy. Takéto metódy sú založené na aplikácii princípov holografie. Pomocou holografie sa vytvárajú periodické zmeny indexu lomu v priestorových smeroch. Využite na to interferenciu dvoch alebo viacerých koherentných vĺn, čím sa vytvorí periodické rozloženie intenzity elektromagnetického žiarenia. Jednorozmerné fotonické kryštály vznikajú interferenciou dvoch vĺn. Dvojrozmerné a trojrozmerné fotonické kryštály vznikajú interferenciou troch alebo viacerých vĺn.

Výber konkrétneho spôsobu výroby fotonických kryštálov je do značnej miery určený okolnosťami, aký rozmer je potrebné štruktúru vyrobiť - jednorozmerný, dvojrozmerný alebo trojrozmerný.

Jednorozmerné periodické štruktúry. Najjednoduchšou a najbežnejšou metódou na získanie jednorozmerných periodických štruktúr je vákuové nanášanie polykryštalických filmov z dielektrických alebo polovodičových materiálov po vrstvách. Táto metóda sa rozšírila v súvislosti s používaním periodických štruktúr pri výrobe laserových zrkadiel a interferenčných filtrov. V takýchto štruktúrach je možné pri použití materiálov s indexmi lomu, ktoré sa líšia približne 2-krát (napríklad ZnSe a Na 3 AlF 6), vytvárať spektrálne odrazové pásy (fotonické zakázané pásma) široké až 300 nm, pokrývajúce takmer celú viditeľnú oblasť spektra.

Úspechy v oblasti syntézy polovodičových heteroštruktúr v r posledné desaťročia umožňujú vytvárať úplne monokryštálové štruktúry s periodickou zmenou indexu lomu v smere rastu pomocou metód epitaxie molekulárneho lúča alebo depozície pár pomocou organokovových zlúčenín. V súčasnosti sú takéto štruktúry súčasťou polovodičových laserov s vertikálnymi dutinami. Maximálny v súčasnosti dosiahnuteľný pomer indexov lomu materiálov zjavne zodpovedá páru GaAs/Al 2 O 3 a je okolo 2. Treba poznamenať vysokú dokonalosť kryštálovej štruktúry takýchto zrkadiel a presnosť tvorby zrkadiel. hrúbka vrstvy na úrovni jednej periódy mriežky (asi 0,5 nm).

Nedávno bola preukázaná možnosť vytvárania periodických jednorozmerných polovodičových štruktúr pomocou fotolitografickej masky a selektívneho leptania. Pri leptaní kremíka je možné vytvárať štruktúry s periódou rádovo 1 μm a viac, pričom pomer indexov lomu kremíka a vzduchu v blízkej infračervenej oblasti je 3,4 - bezprecedentné veľký význam, nedosiahnuteľné inými metódami syntézy. Príklad podobnej štruktúry získanej na Fyzikálno-technickom inštitúte. A. F. Ioffe RAS (Petrohrad), je znázornený na obr. 3,96.

Ryža. 3,96. Periodická štruktúra kremík-vzduch získaná anizotropným leptaním pomocou fotolitografickej masky (perióda štruktúry 8 µm)

Dvojrozmerné periodické štruktúry. Dvojrozmerné periodické štruktúry môžu byť vyrobené pomocou selektívneho leptania polovodičov, kovov a dielektrík. Technológia selektívneho leptania bola vyvinutá pre kremík a hliník kvôli širokému použitiu týchto materiálov v mikroelektronike. Za perspektívny optický materiál, ktorý umožní vytvárať integrované optoelektronické systémy s vysokým stupňom integrácie, sa považuje napríklad porézny kremík. Kombinácia pokročilých kremíkových technológií s efektmi kvantovej veľkosti a princípmi tvorby fotonických pásových medzier viedla k vývoju nového smeru – kremíkovej fotoniky.

Použitie submikrónovej litografie na tvorbu masiek umožňuje vytvárať kremíkové štruktúry s periódou 300 nm alebo menšou. Vďaka silnej absorpcii viditeľného žiarenia je možné kremíkové fotonické kryštály použiť len v blízkej a strednej infračervenej oblasti spektra. Kombinácia leptania a oxidácie v zásade umožňuje pristúpiť k periodickým štruktúram oxid kremičitý – vzduch, no zároveň nízky pomer indexu lomu (zložka 1,45) neumožňuje vytvorenie plnohodnotného zakázaného pásu. v dvoch rozmeroch.

Sľubne sa javia dvojrozmerné periodické štruktúry polovodičových zlúčenín A 3 B 5, ktoré sa získavajú aj selektívnym leptaním pomocou litografických masiek alebo šablón. Zlúčeniny A 3 B 5 sú hlavnými materiálmi modernej optoelektroniky. Zlúčeniny InP a GaAs majú väčšiu medzeru v pásme ako kremík a rovnako vysoké hodnoty indexu lomu ako kremík, rovnajúce sa 3,55 a 3,6.

Veľmi zaujímavé sú periodické štruktúry na báze oxidu hlinitého (obr. 3.97a). Získavajú sa elektrochemickým leptaním kovového hliníka, na povrchu ktorého sa pomocou litografie vytvorí maska. Pomocou elektrónových litografických šablón sa získali dokonalé dvojrozmerné periodické štruktúry pripomínajúce plásty s priemerom pórov menším ako 100 nm. Je potrebné poznamenať, že selektívne leptanie hliníka za určitej kombinácie podmienok leptania umožňuje získať pravidelné štruktúry aj bez použitia akýchkoľvek masiek alebo šablón (obr. 3.97b). V tomto prípade môže byť priemer pórov len niekoľko nanometrov, čo je pre moderné litografické metódy nedosiahnuteľné. Periodicita pórov je spojená so samoreguláciou procesu oxidácie hliníka počas elektrochemickej reakcie. Počiatočný vodivý materiál (hliník) sa počas reakcie oxiduje na Al203. Film oxidu hlinitého, ktorý je dielektrikom, znižuje prúd a spomaľuje reakciu. Kombinácia týchto procesov umožňuje dosiahnuť autonómny režim reakcie, pri ktorom je priechodom prúdu cez póry umožnené kontinuálne leptanie a reakčný produkt vytvára pravidelnú voštinovú štruktúru. Určitá nepravidelnosť pórov (obr. 3.97b) je spôsobená zrnitou štruktúrou pôvodného polykryštalického hliníkového filmu.

Ryža. 3,97. Dvojrozmerný fotonický kryštál Al 2 O 3: a) vyrobený pomocou litografickej masky; b) vyrobené pomocou samoregulácie oxidačného procesu

Štúdium optických vlastností nanoporézneho oxidu hlinitého ukázalo nezvyčajne vysokú transparentnosť tohto materiálu v smere pórov. Absencia Fresnelovho odrazu, ktorý nevyhnutne existuje na rozhraní medzi dvoma súvislými médiami, vedie k hodnotám priepustnosti dosahujúcim 98%. V smeroch kolmých na póry sa pozoruje vysoký odraz s koeficientom odrazu v závislosti od uhla dopadu.

Relatívne nízke hodnoty permitivity oxidu hlinitého na rozdiel od kremíka, arzenidu gália a fosfidu india neumožňujú vytvorenie plnohodnotného zakázaného pásu v dvoch rozmeroch. Napriek tomu sú optické vlastnosti porézneho oxidu hlinitého celkom zaujímavé. Má napríklad výrazný anizotropný rozptyl svetla, ako aj dvojlom, ktorý umožňuje jeho použitie na otáčanie polarizačnej roviny. Pomocou rôznych chemických metód je možné vyplniť póry rôznymi oxidmi, ako aj opticky aktívne materiály napríklad nelineárne optické médiá, organické a anorganické fosfory, elektroluminiscenčné zlúčeniny.

Trojrozmerné periodické štruktúry. Trojrozmerné periodické štruktúry sú objekty, ktoré majú najväčšie technologické ťažkosti pri experimentálnej realizácii. Za historicky prvý spôsob vytvorenia trojrozmerného fotonického kryštálu sa považuje metóda založená na mechanickom vŕtaní valcových otvorov v objeme materiálu, ktorú navrhol E. Yablonovich. Výroba takejto trojrozmernej periodickej štruktúry je dosť namáhavá úloha; preto sa mnohí výskumníci pokúšali vytvoriť fotonický kryštál inými metódami. Pri Lin-Flemingovej metóde sa teda na kremíkový substrát nanesie vrstva oxidu kremičitého, v ktorej sa potom vytvoria rovnobežné pásiky vyplnené polykryštalickým kremíkom. Ďalej sa proces nanášania oxidu kremičitého opakuje, ale pásy sa vytvárajú v kolmom smere. Po vytvorení potrebného počtu vrstiev sa oxid kremičitý odstráni leptaním. V dôsledku toho sa vytvorí „hromada dreva“ z polysilikónových tyčí (obr. 3.98). Treba poznamenať, že použitie moderné metódy submikrónová elektrónová litografia a anizotropné iónové leptanie umožňuje získať fotonické kryštály s hrúbkou menšou ako 10 štruktúrnych buniek.

Ryža. 3,98. 3D fotonická štruktúra z polysilikónových tyčiniek

Rozšírili sa spôsoby vytvárania fotonických kryštálov pre viditeľný rozsah, založené na použití samoorganizujúcich sa štruktúr. Samotná myšlienka „zostavovania“ fotonických kryštálov z guľôčok (guliek) je vypožičaná z prírody. Je napríklad známe, že prírodné opály majú vlastnosti fotonických kryštálov. Prírodný minerál opál chemické zloženie je hydrogél oxidu kremičitého SiO 2 × H 2 O s premenlivým obsahom vody: SiO 2 - 65 - 90 hm. %; H20 - 4,5 až 20 %; Al203 - až 9%; Fe203 - do 3 %; TiO 2 – do 5 %. Pomocou elektrónovej mikroskopie sa zistilo, že prírodné opály sú tvorené tesne zbalenými sférickými časticami α-SiO 2 , jednotnej veľkosti, s priemerom 150–450 nm. Každá častica pozostáva z menších guľovitých útvarov s priemerom 5–50 nm. Dutiny v balení guľôčok sú vyplnené amorfným oxidom kremičitým. Intenzitu difraktovaného svetla ovplyvňujú dva faktory: prvým je „ideálne“ husté balenie guľôčok, druhým je rozdiel v indexoch lomu amorfného a kryštalického oxidu SiO 2 . najlepšia hra ušľachtilé čierne opály majú svetlo (pre nich je rozdiel v indexoch lomu ~ 0,02).

Z koloidných častíc je možné vytvárať globulárne fotonické kryštály rôznymi spôsobmi: prirodzenou sedimentáciou (vyzrážanie dispergovanej fázy v kvapaline alebo plyne pôsobením gravitačného poľa alebo odstredivých síl), odstreďovaním, filtráciou pomocou membrán, elektroforézou atď. Sférické častice pôsobia ako koloidné častice polystyrén, polymetylmetakrylát, častice oxidu kremičitého α-SiO 2 .

Metóda prirodzených zrážok je veľmi pomalý proces, ktorý si vyžaduje niekoľko týždňov alebo dokonca mesiacov. Odstreďovanie do značnej miery urýchľuje proces tvorby koloidných kryštálov, ale takto získané materiály sú menej usporiadané, od r. vysoká rýchlosť precipitácia oddelenie častíc podľa veľkosti nestihne nastať. Na urýchlenie procesu sedimentácie sa používa elektroforéza: vytvára sa vertikálne elektrické pole, ktoré „mení“ gravitáciu častíc v závislosti od ich veľkosti. Používajú sa aj metódy založené na využití kapilárnych síl. Hlavnou myšlienkou je, že pri pôsobení kapilárnych síl dochádza ku kryštalizácii na hranici menisku medzi vertikálnym substrátom a suspenziou a pri odparovaní rozpúšťadla sa vytvára jemná usporiadaná štruktúra. Dodatočne sa používa vertikálny teplotný gradient, ktorý umožňuje lepšie optimalizovať rýchlosť procesu a kvalitu vytvoreného kryštálu vďaka konvekčným prúdom. Vo všeobecnosti je výber techniky určený požiadavkami na kvalitu výsledných kryštálov a časom stráveným ich výrobou.

Technologický proces Pestovanie syntetických opálov prirodzenou sedimentáciou možno rozdeliť do niekoľkých etáp. Najprv sa pripraví monodisperzná (~5 % odchýlka v priemere) suspenzia guľôčok oxidu kremičitého. Stredný priemer častíc sa môže meniť v širokom rozsahu: od 200 do 1000 nm. Najznámejší spôsob získavania monodisperzných koloidných mikročastíc oxidu kremičitého je založený na hydrolýze tetraetoxysilánu Si(C2H4OH)4 v prostredí voda-alkohol v prítomnosti hydroxidu amónneho ako katalyzátora. Touto metódou možno získať častice s hladkým povrchom takmer ideálneho guľového tvaru s vysoký stupeň monodisperzitu (menej ako 3 % odchýlky v priemere), ako aj na vytvorenie častíc s veľkosťou menšou ako 200 nm s úzkou distribúciou veľkosti. Vnútorná štruktúra takýchto častíc je fraktálna: častice pozostávajú z tesne uložených menších guľôčok (priemer niekoľkých desiatok nanometrov) a každá takáto guľa je tvorená polyhydroxokomplexami kremíka, ktoré pozostávajú z 10–100 atómov.

Ďalšou etapou je ukladanie častíc (obr. 3.99). Môže to trvať niekoľko mesiacov. Po dokončení kroku nanášania sa vytvorí tesne zbalená periodická štruktúra. Potom sa zrazenina suší a žíha pri teplote asi 600 °С. Počas žíhania guľôčky mäknú a deformujú sa v miestach dotyku. Výsledkom je, že pórovitosť syntetických opálov je menšia ako v prípade ideálneho hustého guľového obalu. Kolmo na smer osi rastu fotonického kryštálu tvoria globule vysoko usporiadané šesťuholníkové tesne zbalené vrstvy.

Ryža. 3,99. Etapy pestovania syntetických opálov: a) ukladanie častíc;

b) vysušenie zrazeniny; c) žíhanie vzorky

Na obr. 3.100a ukazuje mikrosnímku syntetického opálu získanú rastrovacím elektrónovým mikroskopom. Rozmery gúľ sú 855 nm. Prítomnosť otvorenej pórovitosti v syntetických opáloch umožňuje vyplniť dutiny rôznymi materiálmi. Opálové matrice sú trojrozmerné podmriežky vzájomne prepojených pórov s nanometrovou veľkosťou. Veľkosti pórov sú rádovo stovky nanometrov a veľkosti kanálov spájajúcich póry dosahujú desiatky nanometrov. Týmto spôsobom sa získajú nanokompozity na báze fotonických kryštálov. Hlavnou požiadavkou pri vytváraní vysokokvalitných nanokompozitov je úplnosť vyplnenia nanoporézneho priestoru. Plnenie sa uskutočňuje rôznymi spôsobmi: zavedením z roztoku v tavenine; impregnácia koncentrovanými roztokmi s následným odparením rozpúšťadla; elektrochemické metódy, chemické vylučovanie z pár atď.

Ryža. 3 100. Mikrofotografie fotonických kryštálov: a) zo syntetického opálu;

b) z polystyrénových mikroguľôčok

Selektívne leptanie oxidu kremičitého z takýchto kompozitov vedie k vytvoreniu priestorovo usporiadaných nanoštruktúr s vysokou pórovitosťou (viac ako 74 % objemu), nazývaných reverzné alebo invertované opály. Táto metóda získanie fotonických kryštálov sa nazýva templátová metóda. Ako usporiadané monodisperzné koloidné častice tvoriace fotonický kryštál môžu pôsobiť nielen častice oxidu kremičitého, ale napríklad aj polymérne. Príklad fotonického kryštálu na báze polystyrénových mikroguľôčok je znázornený na obr. 3.100b