الكيمياء الكهربائية للبلورات الضوئية. ستكون البلورات الضوئية الأساس لجيل جديد من خصائص الموجات البلورية الضوئية للإلكترونيات الدقيقة

ولدت فكرة الضوئيات للهياكل النانوية والبلورات الضوئية عند تحليل إمكانية إنشاء بنية شريطية ضوئية. كان من المفترض أنه في بنية النطاق البصري، كما هو الحال في بنية نطاق أشباه الموصلات، يجب أن تكون هناك حالات مسموح بها ومحظورة للفوتونات ذات الطاقات المختلفة. من الناحية النظرية، تم اقتراح نموذج للوسط حيث تم استخدام التغييرات الدورية في ثابت العزل الكهربائي أو معامل الانكسار للوسط كاحتمال الشبكة الدورية. وهكذا تم تقديم مفاهيم "فجوة النطاق الضوئي" في "البلورة الضوئية".

الكريستال الضوئيهي شبكة فائقة يتم فيها إنشاء حقل بشكل مصطنع، وتكون دورته أكبر من فترة الشبكة الرئيسية. البلورة الضوئية هي مادة عازلة شفافة ذات بنية دورية محددة وخصائص بصرية فريدة.

يتكون الهيكل الدوري من ثقوب صغيرة تغير بشكل دوري ثابت العزل الكهربائي r. يبلغ قطر هذه الثقوب بحيث تمر عبرها موجات ضوئية ذات طول محدد بدقة. يتم امتصاص جميع الموجات الأخرى أو انعكاسها.

وتتشكل المناطق الضوئية التي تعتمد فيها سرعة طور انتشار الضوء على e. وفي البلورة، ينتشر الضوء بشكل متماسك وتظهر الترددات المحظورة، اعتمادًا على اتجاه الانتشار. يحدث حيود براغ للبلورات الضوئية في نطاق الطول الموجي البصري.

تسمى هذه البلورات بمواد ذات فجوة الحزمة الضوئية (PBGBs). من وجهة نظر الإلكترونيات الكمومية، فإن قانون أينشتاين للانبعاث المحفز لا ينطبق على مثل هذه الوسائط النشطة. وبموجب هذا القانون تكون معدلات الانبعاث والامتصاص المستحثين متساوية ومجموع المثار ن 2وغير متحمس

من ذرات JV هي A، + ن.، = ن.ثم أو 50%.

في البلورات الضوئية، يكون من الممكن انعكاس مستوى السكان بنسبة 100%. يتيح لك ذلك تقليل طاقة المضخة وتقليل التسخين غير الضروري للكريستال.

إذا تعرضت البلورة لموجات صوتية، فيمكن أن يتغير طول موجة الضوء واتجاه حركة موجة الضوء المميزة للبلورة. الخاصية المميزة للبلورات الضوئية هي تناسب معامل الانعكاس رالضوء في الجزء طويل الموجة من الطيف إلى تردده التربيعي 2، وليس كما هو الحال في تشتت رايلي ر~ مع 4 . يتم وصف مكون الموجة القصيرة للطيف البصري بقوانين البصريات الهندسية.

عند إنشاء بلورات فوتونية صناعيًا، من الضروري إيجاد تقنية لإنشاء شبكات فائقة ثلاثية الأبعاد. هذه مهمة صعبة للغاية، نظرًا لأن تقنيات النسخ القياسية باستخدام طرق الطباعة الحجرية غير مقبولة لإنشاء هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد.

انجذب انتباه الباحثين إلى العقيق النبيل (الشكل 2.23). هل هذا المعدن Si() 2؟ ص 1.0 فئة فرعية من هيدروكسيدات. في الأوبال الطبيعي، تمتلئ فراغات الكريات بالسيليكا والماء الجزيئي. من وجهة نظر الإلكترونيات النانوية، فإن الأوبال عبارة عن كرات نانوية (كريات) من السيليكا معبأة بكثافة (بشكل أساسي وفقًا للقانون المكعب). كقاعدة عامة، يتراوح قطر الكرات النانوية بين 200-600 نانومتر. تشكل تعبئة كريات السيليكا شبكة ثلاثية الأبعاد. تحتوي هذه الشبكات الفائقة على فراغات هيكلية بأبعاد 140-400 نانومتر، والتي يمكن ملؤها بمواد شبه موصلة ونشطة بصريًا ومواد مغناطيسية. في هيكل العقيق، من الممكن إنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد ببنية نانوية. يمكن أن يكون هيكل مصفوفة العقيق البصري بمثابة بلورة فوتونية 3E.

تم تطوير تقنية السيليكون المؤكسد الكبير. واستناداً إلى هذه العملية التكنولوجية، تم إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد على شكل دبابيس السيليكا (الشكل 2.24).

تم اكتشاف فجوات في النطاق الضوئي في هذه الهياكل. يمكن تغيير معلمات فجوات النطاق في مرحلة عمليات الطباعة الحجرية أو عن طريق ملء هيكل الدبوس بمواد أخرى.

تم تطوير تصميمات ليزر مختلفة تعتمد على البلورات الضوئية. فئة أخرى من العناصر البصرية تعتمد على البلورات الضوئية هي الألياف البلورية الضوئية(فكف). يملكون

أرز. 2.23.هيكل العقيق الاصطناعي (أ)والأوبال الطبيعي (ب)"

" مصدر: جودلين إي.أ.[وإلخ.]. ثروة العالم النانوي. تقرير مصور من أعماق المادة؛ حررت بواسطة يو دي تريتياكوفا. م: بينوم. مختبر المعرفة، 2010.

أرز. 2.24.

فجوة النطاق في نطاق طول موجي معين. على عكس الألياف الضوئية التقليدية، تتمتع الألياف الضوئية ذات فجوة الحزمة بالقدرة على تحويل الطول الموجي عديم التشتت إلى المنطقة المرئية من الطيف. في هذه الحالة، يتم توفير الظروف لأنماط سوليتون لانتشار الضوء المرئي.

من خلال تغيير حجم أنابيب الهواء، وبالتالي حجم القلب، من الممكن زيادة تركيز طاقة الإشعاع الضوئي والخصائص غير الخطية للألياف. ومن خلال تغيير هندسة الألياف والكسوة، من الممكن الحصول على المزيج الأمثل من اللاخطية القوية والتشتت المنخفض في نطاق الطول الموجي المطلوب.

في التين. 2.25 يظهر FKV. وهي مقسمة إلى نوعين. يتضمن النوع الأول FCF مع قلب توجيه ضوئي صلب. من الناحية الهيكلية، يتم تصنيع هذه الألياف على شكل نواة من زجاج الكوارتز في غلاف كريستالي فوتوني. يتم توفير الخصائص الموجية لهذه الألياف من خلال تأثير الانعكاس الداخلي الكلي ومن خلال خصائص نطاق البلورة الضوئية. ولذلك، تنتشر الأنماط ذات الترتيب المنخفض في مثل هذه الألياف عبر نطاق طيفي واسع. تنتقل أوضاع الترتيب العالي إلى الصدفة وتتحلل هناك. في هذه الحالة، يتم تحديد خصائص الدليل الموجي للبلورة لأوضاع الترتيب الصفري من خلال تأثير الانعكاس الداخلي الكلي. يظهر هيكل شريط البلورة الضوئية بشكل غير مباشر فقط.

يحتوي الصف الثاني من FKV على قلب توجيه ضوئي مجوف. يمكن أن ينتشر الضوء من خلال كل من قلب الألياف والكسوة. في الصميم

أرز. 2.25.

أ -قسم ذو قلب توجيه ضوئي متين؛

6 - المقطع العرضي ذو النواة المجوفة من الألياف الموجهة للضوء، يكون معامل الانكسار أقل من متوسط ​​معامل الانكسار للكسوة. هذا يسمح لك بزيادة قوة الإشعاع المنقول بشكل كبير. حاليًا، تم إنشاء ألياف لها خسارة قدرها 0.58 ديسيبل/كم لكل طول موجي س = 1.55 ميكرومتر، وهي قريبة من قيمة الخسارة في الألياف القياسية أحادية الوضع (0.2 ديسيبل/كم).

ومن المزايا الأخرى للألياف البلورية الضوئية نلاحظ ما يلي:

• وضع أحادي الوضع لجميع الأطوال الموجية للتصميم؛
• مجموعة واسعة من التغييرات في بقعة الوضع الأساسي؛
• معامل تشتت ثابت وعالي للأطوال الموجية 1.3-1.5 ميكرومتر وتشتت صفر للأطوال الموجية في الطيف المرئي؛
• قيم الاستقطاب المتحكم فيها، تشتت سرعة المجموعة، طيف الإرسال.

تُستخدم الألياف ذات الكسوة البلورية الضوئية على نطاق واسع لحل المشكلات في مجال البصريات وفيزياء الليزر وخاصة في أنظمة الاتصالات. في الآونة الأخيرة، اجتذبت الأصداء المختلفة الناشئة في البلورات الضوئية الاهتمام. تحدث تأثيرات البولاريتون في البلورات الضوئية أثناء تفاعل الرنين الإلكتروني والفوتون. عند إنشاء هياكل نانوية معدنية عازلة للكهرباء بفترة أقصر بكثير من الطول الموجي البصري، فمن الممكن تحقيق موقف تكون فيه الظروف

أحد المنتجات المهمة جدًا لتطوير الضوئيات هو أنظمة الألياف الضوئية للاتصالات. يعتمد عملها على عمليات التحويل الكهربائي لإشارة المعلومات، ونقل الإشارة الضوئية المعدلة عبر دليل ضوء الألياف الضوئية والتحويل البصري الإلكتروني العكسي.

تصنيف طرق تصنيع البلورات الضوئية.البلورات الضوئية نادرة جدًا في الطبيعة. تتميز بلعب قوس قزح خاص للضوء - وهي ظاهرة بصرية تسمى التقزح اللوني (مترجمة من اليونانية - قوس قزح). وتشمل هذه المعادن الكالسيت واللابرادوريت والأوبال SiO 2 × n∙H 2 O مع شوائب مختلفة. وأشهرها هو الأوبال - وهو معدن شبه ثمين، وهو عبارة عن بلورة غروية تتكون من كريات كروية أحادية التشتت من أكسيد السيليكون. إن لعب الضوء في الأخير يؤدي إلى ظهور مصطلح البراق، الذي يشير إلى نوع خاص من تشتيت الإشعاع المميز لهذه البلورة فقط.

تشمل الطرق الرئيسية لتصنيع البلورات الضوئية طرقًا يمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات:

1. طرق استخدام التكوين التلقائي للبلورات الضوئية. تستخدم هذه المجموعة من الطرق الجسيمات الغروية، مثل السيليكون أحادي التشتت أو جزيئات البوليسترين، بالإضافة إلى مواد أخرى. هذه الجزيئات، الموجودة في البخار السائل أثناء التبخر، تستقر في حجم معين. عندما تترسب الجسيمات على بعضها البعض، فإنها تشكل بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد، ويتم ترتيبها في الغالب في شبكات بلورية مركزية الوجه أو سداسية. الطريقة الخلوية ممكنة أيضًا، والتي تتضمن تصفية سائل يحتوي على جزيئات من خلال جراثيم صغيرة. على الرغم من أن طريقة قرص العسل تسمح بتكوين بلورة بسرعة عالية نسبيًا، تحددها سرعة تدفق السائل عبر المسام، إلا أن العيوب تتشكل في مثل هذه البلورات عند التجفيف. هناك طرق أخرى تستخدم التكوين التلقائي للبلورات الضوئية، ولكن كل طريقة لها مزاياها وعيوبها. في أغلب الأحيان، يتم استخدام هذه الطرق لترسيب جزيئات السيليكون الغروية الكروية، ومع ذلك، يكون تباين معامل الانكسار الناتج صغيرًا نسبيًا.

2. طرق استخدام نقش الأشياء. تستخدم هذه المجموعة من الطرق قناعًا مقاومًا للضوء يتم تشكيله على سطح شبه الموصل، والذي يحدد هندسة منطقة الحفر. باستخدام مثل هذا القناع، يتم تشكيل بلورة ضوئية بسيطة عن طريق حفر سطح شبه موصل غير مغطى بمقاوم الضوء. عيب هذه الطريقة هو الحاجة إلى استخدام الطباعة الحجرية الضوئية بدقة عالية على مستوى عشرات ومئات النانومترات. تُستخدم أيضًا حزم الأيونات المركزة، مثل Ga، لإنتاج بلورات ضوئية عن طريق التنميش. تتيح هذه الحزم الأيونية إزالة جزء من المادة دون استخدام الطباعة الحجرية الضوئية والحفر الإضافي. ولزيادة سرعة الحفر وتحسين جودته، وكذلك ترسيب المواد داخل المناطق المحفورة، يتم استخدام معالجة إضافية بالغازات اللازمة.

3. الطرق المجسمة. تعتمد هذه الأساليب على تطبيق المبادئ الثلاثية الأبعاد. باستخدام التصوير المجسم، يتم تشكيل التغييرات الدورية في معامل الانكسار في الاتجاهات المكانية. للقيام بذلك، يتم استخدام تداخل موجتين أو أكثر من الموجات المتماسكة، مما يخلق توزيعًا دوريًا لشدة الإشعاع الكهرومغناطيسي. يتم إنشاء البلورات الضوئية أحادية البعد عن طريق تداخل موجتين. يتم إنشاء البلورات الضوئية ثنائية وثلاثية الأبعاد عن طريق تداخل ثلاث موجات أو أكثر.

يتم تحديد اختيار طريقة محددة لتصنيع البلورات الضوئية إلى حد كبير حسب حجم الهيكل الذي يجب تصنيعه - أحادي البعد أو ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد.

الهياكل الدورية أحادية البعد.الطريقة الأبسط والأكثر شيوعًا للحصول على الهياكل الدورية أحادية البعد هي الترسيب الفراغي طبقة تلو الأخرى للأغشية متعددة البلورات من المواد العازلة أو أشباه الموصلات. أصبحت هذه الطريقة منتشرة على نطاق واسع بسبب استخدام الهياكل الدورية في إنتاج مرايا الليزر ومرشحات التداخل. في مثل هذه الهياكل، عند استخدام مواد ذات معاملات انكسار تختلف بمقدار مرتين تقريبًا (على سبيل المثال، ZnSe وNa 3 AlF 6)، فمن الممكن إنشاء نطاقات انعكاس طيفية (فجوات نطاق ضوئية) يصل عرضها إلى 300 نانومتر، وتغطي تقريبًا المنطقة المرئية بأكملها من الطيف.

لقد أتاح التقدم في تركيب الهياكل غير المتجانسة لأشباه الموصلات في العقود الأخيرة إنشاء هياكل أحادية البلورية تمامًا مع تغيير دوري في معامل الانكسار على طول اتجاه النمو باستخدام تقنيات ترسيب الشعاع الجزيئي أو ترسيب البخار المعدني العضوي. حاليا، هذه الهياكل هي جزء من ليزر أشباه الموصلات مع تجاويف عمودية. يبدو أن الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه حاليًا لنسبة الانكسار للمواد يتوافق مع زوج GaAs/Al 2 O 3 وهو حوالي 2. وتجدر الإشارة إلى الكمال العالي للبنية البلورية لهذه المرايا ودقة تكوين سماكة الطبقة عند مستوى فترة شعرية واحدة (حوالي 0.5 نانومتر).

في الآونة الأخيرة، تم إثبات إمكانية إنشاء هياكل دورية لأشباه الموصلات أحادية البعد باستخدام قناع الطباعة الحجرية الضوئية والنقش الانتقائي. عند حفر السيليكون، من الممكن إنشاء هياكل بفترة زمنية تصل إلى 1 ميكرون أو أكثر، في حين أن نسبة معاملات انكسار السيليكون والهواء في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء تبلغ 3.4 - وهي قيمة كبيرة غير مسبوقة لا يمكن تحقيقها عن طريق التوليفات الأخرى. طُرق. مثال على هيكل مماثل تم الحصول عليه في المعهد الفيزيائي التقني الذي يحمل اسمه. AF Ioffe RAS (سانت بطرسبرغ)، كما هو موضح في الشكل. 3.96.

أرز. 3.96. التركيب الدوري للسيليكون - الهواء، الذي تم الحصول عليه عن طريق النقش متباين الخواص باستخدام قناع الطباعة الحجرية الضوئية (فترة التركيب 8 ميكرومتر)

الهياكل الدورية ثنائية الأبعاد.يمكن تصنيع الهياكل الدورية ثنائية الأبعاد باستخدام النقش الانتقائي لأشباه الموصلات والمعادن والمواد العازلة. تم تطوير تقنية النقش الانتقائي للسيليكون والألومنيوم بسبب الاستخدام الواسع النطاق لهذه المواد في الإلكترونيات الدقيقة. على سبيل المثال، يعتبر السيليكون المسامي مادة بصرية واعدة من شأنها أن تسمح بإنشاء أنظمة إلكترونية بصرية متكاملة للغاية. أدى الجمع بين تقنيات السيليكون المتقدمة وتأثيرات الحجم الكمي ومبادئ تكوين فجوات النطاق الضوئي إلى تطوير اتجاه جديد - ضوئيات السيليكون.

إن استخدام الطباعة الحجرية دون الميكرونية لتشكيل الأقنعة يجعل من الممكن إنشاء هياكل سيليكون بفترة زمنية تبلغ 300 نانومتر أو أقل. نظرًا لامتصاصها القوي للضوء المرئي، لا يمكن استخدام بلورات السيليكون الضوئية إلا في مناطق الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة من الطيف. إن الجمع بين النقش والأكسدة، من حيث المبدأ، يجعل من الممكن الانتقال إلى هياكل أكسيد الهواء وأكسيد السيليكون الدورية، ولكن في نفس الوقت لا تسمح نسبة معامل الانكسار المنخفضة (1.45) بتكوين فجوة شريطية كاملة في بعدين.

تبدو الهياكل الدورية ثنائية الأبعاد من مركبات أشباه الموصلات A 3 B 5، والتي تم الحصول عليها أيضًا عن طريق النقش الانتقائي باستخدام أقنعة أو قوالب حجرية، واعدة. مركبات A3B5 هي المواد الرئيسية للإلكترونيات الضوئية الحديثة. تحتوي مركبات InP وGaas على فجوات نطاقية أكبر من السيليكون وقيم معامل الانكسار التي تصل إلى السيليكون، وتساوي 3.55 و3.6 على التوالي.

تبدو الهياكل الدورية المعتمدة على أكسيد الألومنيوم مثيرة للاهتمام للغاية (الشكل 3.97 أ). يتم الحصول عليها عن طريق النقش الكهروكيميائي لمعدن الألمنيوم، الذي يتم تشكيل قناع على سطحه باستخدام الطباعة الحجرية. باستخدام قوالب الطباعة الحجرية الإلكترونية، تم الحصول على هياكل دورية مثالية ثنائية الأبعاد تشبه قرص العسل بقطر مسام أقل من 100 نانومتر. تجدر الإشارة إلى أن النقش الانتقائي للألمنيوم في ظل مجموعة معينة من ظروف النقش يجعل من الممكن الحصول على هياكل منتظمة حتى بدون استخدام أي أقنعة أو قوالب (الشكل 3.97 ب). يمكن أن يصل قطر المسام إلى بضعة نانومترات فقط، وهو أمر بعيد المنال باستخدام طرق الطباعة الحجرية الحديثة. ترتبط دورية المسام بالتنظيم الذاتي لعملية أكسدة الألومنيوم أثناء التفاعل الكهروكيميائي. تتم أكسدة المادة الموصلة الأولية (الألومنيوم) إلى Al 2 O 3 أثناء التفاعل. تعمل طبقة أكسيد الألومنيوم، وهي مادة عازلة، على تقليل التيار وإبطاء التفاعل. يسمح الجمع بين هذه العمليات بتحقيق نظام تفاعل مستدام ذاتيًا، حيث يصبح الحفر المستمر ممكنًا عن طريق مرور التيار عبر المسام، ويشكل منتج التفاعل بنية قرص العسل العادية. ترجع بعض عدم انتظام المسام (الشكل 3.97 ب) إلى البنية الحبيبية لفيلم الألومنيوم متعدد البلورات الأصلي.

أرز. 3.97. بلورة فوتونية ثنائية الأبعاد من Al 2 O 3: أ) مصنوعة باستخدام قناع الطباعة الحجرية؛ ب) يتم تصنيعها باستخدام التنظيم الذاتي لعملية الأكسدة

أظهرت دراسة الخصائص البصرية لأكسيد الألومنيوم النانوي شفافية عالية بشكل غير عادي لهذه المادة على طول اتجاه المسام. يؤدي غياب انعكاس فريسنل الموجود حتماً عند السطح البيني بين وسطين متصلين إلى وصول قيم النفاذية إلى 98%. في الاتجاهات المتعامدة مع المسام، لوحظ انعكاس عالي مع معامل انعكاس يعتمد على زاوية السقوط.

إن القيم المنخفضة نسبيًا لثابت العزل الكهربائي لأكسيد الألومنيوم، على عكس السيليكون وزرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم، لا تسمح بتكوين فجوة شريطية كاملة في بعدين. ومع ذلك، على الرغم من ذلك، فإن الخصائص البصرية لأكسيد الألومنيوم المسامي مثيرة للاهتمام للغاية. على سبيل المثال، فقد أعلن عن تشتت الضوء متباين الخواص، وكذلك الانكسار المزدوج، مما يجعل من الممكن استخدامه لتدوير مستوى الاستقطاب. باستخدام طرق كيميائية مختلفة، من الممكن ملء المسام بأكاسيد مختلفة، بالإضافة إلى مواد نشطة بصريًا، على سبيل المثال، الوسائط البصرية غير الخطية، والفوسفورات العضوية وغير العضوية، والمركبات المضيئة كهربائيًا.

الهياكل الدورية ثلاثية الأبعاد.الهياكل الدورية ثلاثية الأبعاد هي كائنات تواجه أكبر الصعوبات التكنولوجية في التنفيذ التجريبي. تاريخيًا، تعتبر الطريقة الأولى لإنشاء بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد هي الطريقة التي تعتمد على الحفر الميكانيكي للثقوب الأسطوانية في الجزء الأكبر من المادة، والتي اقترحها إي. يابلونوفيتش. يعد تصنيع مثل هذا الهيكل الدوري ثلاثي الأبعاد مهمة كثيفة العمالة إلى حد ما، لذلك حاول العديد من الباحثين إنشاء بلورة ضوئية باستخدام طرق أخرى. وهكذا، في طريقة لين فليمنج، يتم تطبيق طبقة من ثاني أكسيد السيليكون على ركيزة السيليكون، حيث يتم بعد ذلك تشكيل شرائح متوازية ومليئة بالسيليكون متعدد البلورات. بعد ذلك، يتم تكرار عملية تطبيق ثاني أكسيد السيليكون، ولكن يتم تشكيل الخطوط في اتجاه عمودي. بعد إنشاء العدد المطلوب من الطبقات، تتم إزالة أكسيد السيليكون عن طريق الحفر. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل "كومة الخشب" من قضبان البولي سيليكون (الشكل 3.98). تجدر الإشارة إلى أن استخدام الأساليب الحديثة للطباعة الحجرية الإلكترونية دون الميكرونية والحفر الأيوني متباين الخواص يجعل من الممكن الحصول على بلورات ضوئية بسماكة أقل من 10 خلايا هيكلية.

أرز. 3.98. هيكل فوتوني ثلاثي الأبعاد مصنوع من قضبان البولي سيليكون

أصبحت طرق إنشاء البلورات الضوئية للنطاق المرئي، بناءً على استخدام الهياكل ذاتية التنظيم، منتشرة على نطاق واسع. إن فكرة "تجميع" البلورات الضوئية من الكريات (الكرات) مستعارة من الطبيعة. ومن المعروف، على سبيل المثال، أن الأوبال الطبيعي له خصائص البلورات الضوئية. العقيق المعدني الطبيعي في التركيب الكيميائي هو هيدروجيل ثاني أكسيد السيليكون SiO 2 × H 2 O مع محتوى مائي متغير: SiO 2 – 65 – 90 بالوزن. %؛ ح2س – 4.5–20%; آل 2 يا 3 – ما يصل إلى 9%; الحديد 2 يا 3 – ما يصل إلى 3%; تيو 2 – ما يصل إلى 5%. وباستخدام طرق المجهر الإلكتروني، ثبت أن الأوبال الطبيعي يتكون من جسيمات α-SiO 2 الكروية ذات الحجم المنتظم والمكتظة بكثافة ويبلغ قطرها 150 - 450 نانومتر. يتكون كل جسيم من تكوينات كروية أصغر يبلغ قطرها 5-50 نانومتر. تمتلئ الفراغات الموجودة في العبوة الكروية بأكسيد السيليكون غير المتبلور. تتأثر شدة الضوء المنحرف بعاملين: الأول هو "المثالية" للتعبئة الأكثر كثافة للكريات، والثاني هو الفرق في مؤشرات الانكسار لأكسيد SiO 2 غير المتبلور والبلوري. تتمتع الأوبال السوداء النبيلة بأفضل لعب للضوء (بالنسبة لهم الفرق في قيم معامل الانكسار هو ~0.02).

من الممكن إنشاء بلورات فوتونية كروية من الجسيمات الغروية بطرق مختلفة: الترسيب الطبيعي (ترسيب الطور المشتت في سائل أو غاز تحت تأثير مجال الجاذبية أو قوى الطرد المركزي)، والطرد المركزي، والترشيح باستخدام الأغشية، والرحلان الكهربائي، وما إلى ذلك. تعمل الجسيمات الكروية كجزيئات غروانية من البوليسترين، بولي ميثيل ميثاكريلات، وجزيئات ثاني أكسيد السيليكون α-SiO 2.

تعتبر طريقة الترسيب الطبيعي عملية بطيئة للغاية، وتتطلب عدة أسابيع أو حتى أشهر. يعمل الطرد المركزي على تسريع عملية تكوين البلورات الغروية بشكل كبير، ولكن المواد التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة تكون أقل ترتيبًا، لأنه عند معدل الترسيب المرتفع، لا يوجد وقت لفصل الجزيئات حسب الحجم. لتسريع عملية الترسيب، يتم استخدام الرحلان الكهربائي: حيث يتم إنشاء مجال كهربائي عمودي "يغير" جاذبية الجزيئات حسب حجمها. كما يتم استخدام الطرق المعتمدة على استخدام القوى الشعرية. الفكرة الأساسية هي أنه تحت تأثير القوى الشعرية، يحدث التبلور عند واجهة الغضروف المفصلي بين الركيزة العمودية والمعلق، ومع تبخر المذيب، يتم تشكيل بنية مرتبة بشكل جيد. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام التدرج الرأسي لدرجة الحرارة، مما يجعل من الممكن تحسين سرعة العملية وجودة البلورة التي تم إنشاؤها بشكل أفضل بسبب تدفقات الحمل الحراري. بشكل عام، يتم تحديد اختيار التقنية من خلال متطلبات جودة البلورات الناتجة والوقت اللازم لإنتاجها.

يمكن تقسيم العملية التكنولوجية لزراعة الأوبال الاصطناعية باستخدام الترسيب الطبيعي إلى عدة مراحل. في البداية، يتم إعداد تعليق أحادي التشتت (~ 5٪ انحراف في القطر) من الكريات الكروية من أكسيد السيليكون. يمكن أن يختلف متوسط ​​قطر الجسيم على نطاق واسع: من 200 إلى 1000 نانومتر. تعتمد الطريقة الأكثر شهرة لإنتاج الجسيمات الغروية الدقيقة أحادية التشتت من ثاني أكسيد السيليكون على التحلل المائي لرباعي إيثوكسيسيلان Si(C2H4OH)4 في وسط كحولي مائي في وجود هيدروكسيد الأمونيوم كمحفز. يمكن لهذه الطريقة إنتاج جسيمات ذات سطح أملس ذات شكل كروي مثالي تقريبًا مع درجة عالية من التشتت الأحادي (أقل من 3٪ انحراف في القطر)، وكذلك إنشاء جسيمات بأحجام أقل من 200 نانومتر مع توزيع حجم ضيق. البنية الداخلية لهذه الجسيمات كسورية: تتكون الجسيمات من مجالات مكتظة بكثافة ذات حجم أصغر (قطرها عدة عشرات من النانومترات)، وكل كرة من هذا القبيل تتكون من مجمعات سيليكون متعددة الهيدروكسيل تتكون من 10-100 ذرة.

المرحلة التالية هي ترسيب الجزيئات (الشكل 3.99). يمكن أن تستمر لعدة أشهر. عند الانتهاء من مرحلة الترسيب، يتم تشكيل هيكل دوري متقارب. بعد ذلك، يتم تجفيف الرواسب وتصلبها عند درجة حرارة حوالي 600 درجة مئوية. أثناء عملية التلدين، يحدث تليين وتشوه للكرات عند نقاط التلامس. ونتيجة لذلك، تكون مسامية الأوبال الاصطناعية أقل من مسامية التعبئة الكروية الكثيفة المثالية. بشكل عمودي على اتجاه محور نمو البلورة الضوئية، تشكل الكريات طبقات سداسية مرتبة للغاية ومكتظة.

أرز. 3.99. مراحل نمو الأوبال الاصطناعية: أ) ترسب الجزيئات؛

ب) تجفيف الرواسب. ج) عينة الصلب

في التين. يُظهر الشكل 3.100أ صورة مجهرية للعقيق الاصطناعي الذي تم الحصول عليه عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني. أبعاد المجالات 855 نانومتر. إن وجود المسامية المفتوحة في الأوبال الاصطناعية يسمح بملء الفراغات بمواد مختلفة. مصفوفات الأوبال عبارة عن شبكات فرعية ثلاثية الأبعاد من المسام النانوية المترابطة. تصل أحجام المسام إلى مئات النانومترات، وتصل أحجام القنوات التي تربط المسام إلى عشرات النانومترات. وبهذه الطريقة يتم الحصول على المركبات النانوية المعتمدة على البلورات الضوئية. الشرط الرئيسي الذي تم طرحه عند إنشاء مركبات نانوية عالية الجودة هو الملء الكامل للمساحة النانوية. تتم عملية التعبئة بطرق مختلفة: الحقن من المحلول في الذوبان؛ التشريب بمحاليل مركزة يتبعها تبخر المذيب؛ الطرق الكهروكيميائية، ترسيب البخار الكيميائي، الخ.

أرز. 3.100. صور مجهرية للبلورات الضوئية: أ) من العقيق الاصطناعي؛

ب) من المجهرية البوليسترين

عند النقش الانتقائي لأكسيد السيليكون من هذه المركبات، يتم تشكيل هياكل نانوية مرتبة مكانيًا ذات مسامية عالية (أكثر من 74٪ من الحجم)، تسمى الأوبال العكسي أو المقلوب. تسمى هذه الطريقة لإنتاج البلورات الضوئية بطريقة القالب. ليس فقط جزيئات أكسيد السيليكون، ولكن أيضًا، على سبيل المثال، يمكن لجزيئات البوليمر أن تعمل كجسيمات غروانية أحادية التشتت مرتبة وتشكل بلورة فوتونية. يظهر في الشكل مثال على بلورة فوتونية تعتمد على كريات مجهرية من البوليسترين. 3.100ب

في العقد الماضي، تباطأ تطوير الإلكترونيات الدقيقة، حيث تم الوصول تقريبًا إلى حدود السرعة لأجهزة أشباه الموصلات القياسية. يتم تخصيص عدد متزايد من الدراسات لتطوير مجالات بديلة لإلكترونيات أشباه الموصلات - وهي الإلكترونيات السبينية، والإلكترونيات الدقيقة ذات العناصر فائقة التوصيل، والضوئيات، وبعض المجالات الأخرى.

إن المبدأ الجديد المتمثل في نقل ومعالجة المعلومات باستخدام الإشارات الضوئية بدلاً من الإشارات الكهربائية يمكن أن يسرع من بداية مرحلة جديدة من عصر المعلومات.

من البلورات البسيطة إلى البلورات الضوئية

قد يكون أساس الأجهزة الإلكترونية في المستقبل هو البلورات الضوئية - وهي مواد اصطناعية مرتبة يتغير فيها ثابت العزل الكهربائي بشكل دوري داخل الهيكل. في الشبكة البلورية لأشباه الموصلات التقليدية، يؤدي انتظام ودورية ترتيب الذرات إلى تكوين ما يسمى ببنية طاقة النطاق - مع النطاقات المسموح بها والمحظورة. يمكن للإلكترون الذي تقع طاقته ضمن النطاق المسموح به أن يتحرك حول البلورة، لكن الإلكترون الذي تقع طاقته في فجوة النطاق يصبح "مقفلاً".

وقياسا على البلورة العادية، نشأت فكرة البلورة الضوئية. في ذلك، تؤدي دورية ثابت العزل الكهربائي إلى ظهور المناطق الضوئية، على وجه الخصوص، المنطقة المحظورة، والتي يتم من خلالها منع انتشار الضوء بطول موجة معين. وهذا يعني أن البلورات الضوئية، كونها شفافة لمجموعة واسعة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، لا تنقل الضوء بطول موجة محدد (يساوي ضعف فترة البناء على طول المسار البصري).

البلورات الضوئية يمكن أن يكون لها أبعاد مختلفة. البلورات أحادية البعد (1D) هي بنية متعددة الطبقات من طبقات متناوبة ذات مؤشرات انكسار مختلفة. يمكن تمثيل البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد (2D) على أنها بنية دورية من القضبان ذات ثوابت عازلة مختلفة. كانت النماذج الأولية الاصطناعية للبلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد وتم إنشاؤها في أوائل التسعينيات من قبل موظفي مركز الأبحاث مختبرات بيل(الولايات المتحدة الأمريكية). للحصول على شبكة دورية في مادة عازلة، قام العلماء الأمريكيون بحفر ثقوب أسطوانية بطريقة تمكنهم من الحصول على شبكة ثلاثية الأبعاد من الفراغات. لكي تصبح المادة بلورة فوتونية، تم تعديل ثابت العزل الكهربائي بفترة قدرها 1 سنتيمتر في جميع الأبعاد الثلاثة.

النظائر الطبيعية للبلورات الضوئية هي طبقات عرق اللؤلؤ (1D)، وهوائيات فأر البحر، والدودة متعددة الأشواك (2D)، وأجنحة الفراشة الأفريقية بشق الذيل، والأحجار شبه الكريمة، مثل الأوبال ( 3D).

ولكن حتى اليوم، حتى باستخدام الأساليب الحديثة والمكلفة للطباعة الحجرية الإلكترونية والحفر الأيوني متباين الخواص، فمن الصعب إنتاج بلورات فوتونية ثلاثية الأبعاد خالية من العيوب بسماكة تزيد عن 10 خلايا هيكلية.

يجب أن تجد البلورات الضوئية تطبيقات واسعة في التقنيات الضوئية المتكاملة، والتي ستحل في المستقبل محل الدوائر الكهربائية المتكاملة في أجهزة الكمبيوتر. عند نقل المعلومات باستخدام الفوتونات بدلا من الإلكترونات، سيتم تقليل استهلاك الطاقة بشكل حاد، وسوف تزيد ترددات الساعة وسرعة نقل المعلومات.

الكريستال الضوئي لأكسيد التيتانيوم

يتمتع أكسيد التيتانيوم TiO 2 بمجموعة من الخصائص الفريدة، مثل معامل الانكسار العالي والثبات الكيميائي والسمية المنخفضة، مما يجعله المادة الواعدة لإنشاء بلورات ضوئية أحادية البعد. إذا نظرنا إلى البلورات الضوئية للخلايا الشمسية، فإن أكسيد التيتانيوم يفوز هنا بسبب خصائصه شبه الموصلة. في السابق، تم إثبات زيادة في كفاءة الخلايا الشمسية عند استخدام طبقة شبه موصلة ذات بنية بلورية فوتونية دورية، بما في ذلك بلورات أكسيد التيتانيوم الضوئية.

ولكن حتى الآن، فإن استخدام البلورات الضوئية المعتمدة على ثاني أكسيد التيتانيوم محدود بسبب الافتقار إلى تكنولوجيا قابلة للتكرار وغير مكلفة لإنشائها.

قام موظفو كلية الكيمياء وكلية علوم المواد بجامعة موسكو الحكومية - نينا سابوليتوفا وسيرجي كوشنير وكيريل نابولسكي - بتحسين تخليق البلورات الضوئية أحادية البعد القائمة على أفلام أكسيد التيتانيوم المسامية.

وأوضح كيريل نابولسكي، رئيس مجموعة البنية الكهروكيميائية النانوية، مرشح العلوم الكيميائية: "إن الأنودة (الأكسدة الكهروكيميائية) لمعادن الصمامات، بما في ذلك الألومنيوم والتيتانيوم، هي طريقة فعالة لإنتاج أفلام أكسيد مسامية بقنوات بحجم النانومتر".

عادة ما يتم إجراء عملية الأكسدة في خلية كهروكيميائية ثنائية القطب. يتم إنزال لوحين معدنيين، الكاثود والأنود، في محلول الإلكتروليت، ويتم تطبيق جهد كهربائي. يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود، وتحدث الأكسدة الكهروكيميائية للمعدن عند الأنود. إذا تم تغيير الجهد المطبق على الخلية بشكل دوري، يتم تشكيل طبقة مسامية ذات مسامية بسمك معين على الأنود.

سيتم تعديل معامل الانكسار الفعال إذا تغير قطر المسام بشكل دوري داخل الهيكل. لم تتيح تقنيات أنودة التيتانيوم المطورة مسبقًا الحصول على مواد ذات درجة عالية من البنية الدورية. قام الكيميائيون من جامعة موسكو الحكومية بتطوير طريقة جديدة لأكسيد المعادن من خلال تعديل الجهد اعتمادًا على شحنة الأنودة، مما يجعل من الممكن إنشاء أكاسيد معدنية أنودية مسامية بدقة عالية. أظهر الكيميائيون قدرات التقنية الجديدة باستخدام مثال البلورات الضوئية أحادية البعد المصنوعة من أكسيد التيتانيوم الأنودي.

نتيجة لتغيير جهد الأنودة وفقًا للقانون الجيبي في نطاق 40-60 فولت، حصل العلماء على أنابيب نانوية من أكسيد التيتانيوم الأنودي ذات قطر خارجي ثابت وقطر داخلي متغير بشكل دوري (انظر الشكل).

"لم تكن تقنيات الأنودة المستخدمة سابقًا تجعل من الممكن الحصول على مواد بدرجة عالية من البنية الدورية. لقد قمنا بتطوير تقنية جديدة، المكون الرئيسي منها هو فى الموقع(مباشرة أثناء التوليف) قياس شحنة الأنودة، مما يجعل من الممكن التحكم بدقة عالية في سماكة الطبقات ذات المسامات المختلفة في فيلم الأكسيد المتكون،" أوضح أحد مؤلفي العمل، مرشح العلوم الكيميائية سيرجي كوشنير.

ستعمل التقنية المطورة على تبسيط إنشاء مواد جديدة ببنية معدلة تعتمد على أكاسيد فلز أنوديك. "إذا اعتبرنا استخدام البلورات الضوئية المصنوعة من أكسيد التيتانيوم الأنودي في الخلايا الشمسية كاستخدام عملي لهذه التقنية، فإن الدراسة المنهجية لتأثير المعلمات الهيكلية لهذه البلورات الضوئية على كفاءة تحويل الضوء في الخلايا الشمسية قد وأوضح سيرجي كوشنير: “لم يتم تنفيذها بعد”.

2

مقدمة منذ العصور القديمة، كان الشخص الذي وجد البلورة الضوئية مفتونًا بلعب قوس قزح الخاص للضوء. وقد وجد أن التقزح اللوني في حراشف وريش مختلف الحيوانات والحشرات يرجع إلى وجود هياكل فوقية عليها تسمى البلورات الضوئية لخصائصها العاكسة. توجد البلورات الضوئية في الطبيعة في/على: المعادن (الكالسيت، اللابرادوريت، العقيق)؛ على أجنحة الفراشات. قذائف خنفساء عيون بعض الحشرات؛ الطحالب؛ قشور السمك ريش الطاووس 3

البلورات الضوئية هي مادة تتميز بنيتها بالتغير الدوري في معامل الانكسار في الاتجاهات المكانية، البلورات الضوئية المعتمدة على أكسيد الألومنيوم. إم دوبيل، ج.ف. فريمان، مارتن فيجنر، سوريش بيريرا، كيرت بوش، كوستاس م. سوكوليس "الكتابة المباشرة بالليزر لقوالب الكريستال الضوئية ثلاثية الأبعاد للاتصالات السلكية واللاسلكية" // مواد الطبيعة المجلد. 3، ص

القليل من التاريخ... في عام 1887، قام رايلي لأول مرة بالتحقيق في انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الهياكل الدورية، وهو ما يشبه البلورات الضوئية أحادية البعد - البلورات الضوئية - تم تقديم هذا المصطلح في أواخر الثمانينات. للدلالة على التناظرية البصرية لأشباه الموصلات. هذه بلورات صناعية مصنوعة من مادة عازلة شفافة يتم من خلالها إنشاء "ثقوب" الهواء بطريقة منظمة. 5

البلورات الضوئية هي مستقبل الطاقة العالمية يمكن للبلورات الضوئية ذات درجة الحرارة العالية أن تعمل ليس فقط كمصدر للطاقة، ولكن أيضًا ككاشفات وأجهزة استشعار عالية الجودة (الطاقة والكيميائية). تعتمد البلورات الضوئية التي أنشأها علماء ماساتشوستس على التنغستن والتنتالوم. هذا المركب قادر على الأداء بشكل مرضي في درجات حرارة عالية جدًا. ما يصل إلى ˚С. لكي تبدأ البلورة الضوئية في تحويل نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر مناسب للاستخدام، فإن أي مصدر (حراري، انبعاث راديوي، إشعاع قوي، ضوء الشمس، إلخ) يكون مناسبًا. 6

7

قانون تشتت الموجات الكهرومغناطيسية في البلورة الضوئية (مخطط للمناطق الممتدة). يوضح الجانب الأيمن لاتجاه معين في البلورة العلاقة بين التردد؟ وقيم ReQ (المنحنيات الصلبة) و ImQ (منحنى متقطع في منطقة توقف أوميغا -

نظرية فجوة النطاق الضوئية لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1987، عندما قدم إيلي يابلونوفيتش، زميل أبحاث الاتصالات في بيل (الآن أستاذ في جامعة كاليفورنيا)، مفهوم فجوة النطاق الكهرومغناطيسي. لتوسيع آفاقك: محاضرة لإيلي يابلونوفيتش yablonovitch-uc-berkeley/view محاضرة لجون بندري john-pendry-Imperial-college/view 9

في الطبيعة، تم العثور على بلورات ضوئية أيضًا: على أجنحة الفراشات الأفريقية بشق الذيل، وطبقة عرق اللؤلؤ لأصداف المحار مثل أذن البحر، وقرون استشعار فأر البحر، وشعيرات الدودة متعددة الأشواك. صورة لسوار مع أوبال. العقيق عبارة عن بلورة فوتونية طبيعية. ويسمى "حجر الآمال الكاذبة" 10

11

لا يوجد تسخين أو تدمير كيميائي ضوئي للمواد الصبغية" title="مزايا المرشحات المعتمدة على الكمبيوتر الشخصي عبر آلية الامتصاص (آلية الامتصاص) للكائنات الحية: التلوين المتداخل لا يتطلب امتصاص وتبديد الطاقة الضوئية، => لا التدفئة والتدمير الكيميائي الضوئي للمواد الصباغ" class="link_thumb"> 12 !}مزايا المرشحات المعتمدة على الكمبيوتر مقارنة بآلية الامتصاص (آلية الامتصاص) للكائنات الحية: لا يتطلب تلوين التداخل امتصاص وتبديد الطاقة الضوئية، => لا يوجد تسخين وتدمير كيميائي ضوئي لطلاء الصبغة. الفراشات التي تعيش في المناخات الحارة لها أنماط أجنحة متقزحة اللون، ويبدو أن بنية البلورة الضوئية الموجودة على السطح تقلل من امتصاص الضوء، وبالتالي تسخين الأجنحة. يستخدم فأر البحر البلورات الضوئية عمليًا لفترة طويلة. 12 لا يوجد تسخين أو تدمير كيميائي ضوئي لطلاء الصبغة. لا يوجد تسخين أو تدمير كيميائي ضوئي لطبقة الصبغ. الفراشات التي تعيش في المناخات الحارة لها نمط جناح قزحي الألوان، وبنية البلورة الضوئية على السطح، كما اتضح فيما بعد، تقلل من الامتصاص الضوء وبالتالي تسخين الأجنحة. لقد استخدم فأر البحر بالفعل البلورات الضوئية عمليًا لفترة طويلة. 12"> لا يوجد تسخين أو تدمير كيميائي ضوئي للصبغة" title="مزايا مرشحات تعتمد على البلورات الضوئية على آلية الامتصاص (آلية الامتصاص) للكائنات الحية: تلوين التداخل لا يتطلب امتصاص وتبديد الطاقة الضوئية، => لا تسخين وتدمير ضوئي كيميائي للصبغة"> title="مزايا المرشحات المعتمدة على الكمبيوتر مقارنة بآلية الامتصاص (آلية الامتصاص) للكائنات الحية: تلوين التداخل لا يتطلب امتصاص وتبديد الطاقة الضوئية، => لا يوجد تسخين وتدمير كيميائي ضوئي للصباغ"> !}

مورفو ديديوس، فراشة ذات لون قوس قزح وصورة مجهرية لجناحها كمثال على البنية المجهرية البيولوجية الحيادية. أوبال طبيعي قزحي الألوان (حجر شبه كريم) وصورة لبنيته المجهرية، التي تتكون من كرات كثيفة من ثاني أكسيد السيليكون. 13

تصنيف البلورات الضوئية 1. أحادية البعد. يتغير فيها معامل الانكسار بشكل دوري في اتجاه مكاني واحد كما هو موضح في الشكل. في هذا الشكل، يمثل الرمز Λ فترة تغير معامل الانكسار، ومعامل الانكسار لمادتين (ولكن بشكل عام يمكن وجود أي عدد من المواد). تتكون هذه البلورات الضوئية من طبقات من مواد مختلفة متوازية مع بعضها البعض ولها معاملات انكسار مختلفة، ويمكن أن تظهر خصائصها في اتجاه مكاني واحد، متعامد مع الطبقات. 14

2. ثنائي الأبعاد. يتغير فيها معامل الانكسار بشكل دوري في اتجاهين مكانيين كما هو موضح في الشكل. في هذا الشكل، يتم إنشاء البلورة الضوئية بواسطة مناطق مستطيلة ذات معامل انكسار n1 موجودة في وسط معامل الانكسار n2. في هذه الحالة، يتم ترتيب المناطق ذات معامل الانكسار n1 في شبكة مكعبة ثنائية الأبعاد. يمكن لهذه البلورات الضوئية أن تظهر خصائصها في اتجاهين مكانيين، ولا يقتصر شكل المناطق ذات معامل الانكسار n1 على المستطيلات، كما في الشكل، ولكن يمكن أن يكون أي (دوائر، قطع ناقص، تعسفي، إلخ). يمكن أيضًا أن تكون الشبكة البلورية التي يتم ترتيب هذه المناطق فيها مختلفة، وليست مكعبة فقط، كما في الشكل أعلاه. 15

3. ثلاثي الأبعاد. يتغير فيها معامل الانكسار بشكل دوري في ثلاثة اتجاهات مكانية. يمكن لمثل هذه البلورات الضوئية أن تظهر خصائصها في ثلاثة اتجاهات مكانية، ويمكن تمثيلها كمجموعة من المناطق الحجمية (كرات، مكعبات، إلخ) مرتبة في شبكة بلورية ثلاثية الأبعاد. 16

تطبيقات البلورات الضوئية التطبيق الأول هو فصل القنوات الطيفية. في كثير من الحالات، لا تنتقل إشارة ضوئية واحدة، بل عدة إشارات ضوئية عبر الألياف الضوئية. في بعض الأحيان يجب فرزها - يجب إرسال كل منها على طول مسار منفصل. على سبيل المثال، كابل هاتف بصري يتم من خلاله إجراء عدة محادثات في وقت واحد بأطوال موجية مختلفة. تعتبر البلورة الضوئية وسيلة مثالية "لقطع" الطول الموجي المطلوب من التدفق وتوجيهه إلى المكان المطلوب. والثاني هو صليب لتدفقات الضوء. مثل هذا الجهاز، الذي يحمي القنوات الضوئية من التأثير المتبادل عندما تتقاطع فعليًا، ضروري للغاية عند إنشاء كمبيوتر خفيف وشرائح كمبيوتر خفيفة. 17

البلورات الضوئية في الاتصالات السلكية واللاسلكية لم تمر سنوات عديدة منذ بداية التطورات الأولى حتى أصبح من الواضح للمستثمرين أن البلورات الضوئية هي مواد بصرية من نوع جديد بشكل أساسي وأن لها مستقبل باهر. من المرجح أن يصل تطوير البلورات الضوئية في النطاق البصري إلى مستوى التطبيق التجاري في قطاع الاتصالات. 18

21

مزايا وعيوب طرق الطباعة الحجرية والمجسمة للحصول على أجهزة الكمبيوتر الشخصية: الجودة العالية للهيكل المشكل. سرعة الإنتاج السريعة الراحة في الإنتاج الضخم العيوب المعدات باهظة الثمن المطلوبة، تدهور محتمل في حدة الحواف صعوبة في تصنيع التركيبات 22

يُظهر منظر عن قرب للأسفل الخشونة المتبقية التي تبلغ حوالي 10 نانومتر. تظهر نفس الخشونة في قوالب SU-8 التي تنتجها الطباعة الحجرية الثلاثية الأبعاد. وهذا يوضح بوضوح أن هذه الخشونة لا تتعلق بعملية التصنيع، بل تتعلق بالدقة النهائية لمقاوم الضوء. 24

لتحريك PBGs الأساسية في الأطوال الموجية لوضع الاتصالات من 1.5 ميكرومتر و1.3 ميكرومتر، من الضروري أن يكون هناك تباعد بين القضبان في المستوى يبلغ 1 ميكرومتر أو أقل. تواجه العينات المصنعة مشكلة: تبدأ القضبان في ملامسة بعضها البعض، مما يؤدي إلى حشو أجزاء كبيرة غير مرغوب فيها. الحل: تقليل قطر القضيب، ومن ثم ملء الكسر، عن طريق الحفر في بلازما الأكسجين 26

الخصائص البصرية للبلورات الضوئية إن انتشار الإشعاع داخل البلورة الضوئية، بسبب دورية الوسط، يصبح مشابها لحركة الإلكترون داخل بلورة عادية تحت تأثير الجهد الدوري. في ظل ظروف معينة، تتشكل فجوات في بنية نطاق أجهزة الكمبيوتر، على غرار النطاقات الإلكترونية المحظورة في البلورات الطبيعية. 27

يتم الحصول على بلورة فوتونية دورية ثنائية الأبعاد من خلال تشكيل بنية دورية من قضبان عازلة رأسية مثبتة بطريقة تجويف مربع على ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون. من خلال تحديد موضع "العيوب" في البلورة الضوئية، من الممكن إنشاء أدلة موجية توفر انتقالًا بنسبة 100% عند ثنيها بأي زاوية. هياكل فوتونية ثنائية الأبعاد ذات فجوة نطاق 28

طريقة جديدة للحصول على بنية ذات فجوات نطاقية ضوئية حساسة للاستقطاب. تطوير نهج للجمع بين بنية فجوة النطاق الضوئية مع الأجهزة البصرية والإلكترونية الضوئية الأخرى. مراقبة حدود الطول الموجي القصير والطويل للنطاق. الهدف من التجربة هو: 29

العوامل الرئيسية التي تحدد خصائص بنية فجوة الحزمة الضوئية (PBG) هي التباين الانكساري، ونسبة المواد ذات المؤشر المرتفع والمنخفض في الشبكة، وترتيب عناصر الشبكة. تكوين الدليل الموجي المستخدم مشابه لليزر أشباه الموصلات. تم حفر مجموعة من الثقوب الصغيرة جدًا (قطرها 100 نانومتر) في قلب الدليل الموجي، لتشكل مجموعة سداسية مكونة من 30

الشكل 2: رسم تخطيطي للشبكة ومنطقة Brillouin، يوضح اتجاهات التماثل في شبكة أفقية "معبأة" بشكل وثيق. ب ، ج قياس خصائص الإرسال على مجموعة فوتونية مقاس 19 نانومتر. 31 منطقة بريلوين ذات اتجاهات متماثلة لشبكة نقل فضائية حقيقية

الشكل 4: لقطات لمحات المجال الكهربائي للموجات المتنقلة المقابلة للنطاق 1 (أ) والنطاق 2 (ب)، بالقرب من النقطة K لاستقطاب TM. في a، يكون للمجال نفس تناظر الانعكاس حول مستوى y-z كموجة مستوية، لذلك يجب أن يتفاعل بسهولة مع الموجة المستوية الواردة. في المقابل، في b المجال غير متماثل، مما لا يسمح بحدوث هذا التفاعل. 33

الاستنتاجات: يمكن استخدام هياكل PBG كمرايا وعناصر للتحكم المباشر في الانبعاثات في ليزر أشباه الموصلات. إن عرض مفاهيم PBG في هندسة الدليل الموجي سيسمح بتنفيذ عناصر بصرية مدمجة للغاية. دمج تحولات الطور الموضعية (العيوب) في الشبكة سيسمح بإنتاج نوع جديد من التجويف الدقيق والضوء عالي التركيز، مما يسمح باستخدام التأثيرات غير الخطية 34

إيليا بوليشوك، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، أستاذ في MIPT، باحث رئيسي في المركز الوطني للبحوث "معهد كورشاتوف"

لقد أدى استخدام الإلكترونيات الدقيقة في معالجة المعلومات وأنظمة الاتصالات إلى تغيير العالم بشكل جذري. ليس هناك شك في أن عواقب الطفرة في العمل البحثي في ​​مجال فيزياء البلورات الضوئية والأجهزة المبنية عليها ستكون قابلة للمقارنة من حيث الأهمية مع إنشاء الإلكترونيات الدقيقة المتكاملة قبل أكثر من نصف قرن. ستتيح المواد من النوع الجديد إنشاء دوائر بصرية دقيقة على شكل "صورة ومثال" لعناصر إلكترونيات أشباه الموصلات، كما أن الطرق الجديدة بشكل أساسي لنقل المعلومات وتخزينها ومعالجتها، والتي تم تطويرها اليوم على البلورات الضوئية، ستجد بدورها تطبيقًا في إلكترونيات أشباه الموصلات في المستقبل. ليس من المستغرب أن يكون هذا المجال البحثي من أهم المجالات البحثية في أكبر مراكز الأبحاث وشركات التكنولوجيا الفائقة والمجمعات الصناعية العسكرية في العالم. روسيا، بطبيعة الحال، ليست استثناء. علاوة على ذلك، فإن البلورات الضوئية هي موضوع تعاون دولي فعال. على سبيل المثال، دعونا نشير إلى أكثر من عشر سنوات من التعاون بين شركة Kintech Lab LLC الروسية والشركة الأمريكية الشهيرة General Electric.

تاريخ البلورات الضوئية

تاريخيًا، بدأت نظرية تشتت الفوتون على شبكات ثلاثية الأبعاد في التطور بشكل مكثف من منطقة الطول الموجي ~0.01-1 نانومتر، الواقعة في نطاق الأشعة السينية، حيث تكون عقد البلورة الضوئية هي الذرات نفسها. في عام 1986، اقترح إيلي يابلونوفيتش من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس فكرة إنشاء هيكل عازل ثلاثي الأبعاد، يشبه البلورات العادية، حيث لا يمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية ذات نطاق طيف معين. تسمى هذه الهياكل بهياكل فجوة الحزمة الضوئية أو البلورات الضوئية. وبعد خمس سنوات، تم تصنيع هذه البلورة الضوئية عن طريق حفر ثقوب بحجم ملليمتر في مادة ذات معامل انكسار مرتفع. مثل هذه البلورة الاصطناعية، التي تلقت لاحقًا اسم Yablonovite، لم تنقل إشعاع الموجات المليمترية ونفذت فعليًا بنية فوتونية مع فجوة نطاق (بالمناسبة، يمكن أيضًا تضمين صفائف الهوائي الطورية في نفس فئة الأجسام المادية).

يمكن استخدام الهياكل الضوئية، التي تنتشر فيها الموجات الكهرومغناطيسية (خاصة الضوئية) في نطاق تردد معين في اتجاه واحد أو اتجاهين أو ثلاثة، لإنشاء أجهزة بصرية متكاملة للتحكم في هذه الموجات. في الوقت الحالي، تكمن أيديولوجية الهياكل الضوئية في إنشاء أشعة ليزر أشباه الموصلات غير العتبية، والليزر المعتمد على الأيونات الأرضية النادرة، والرنانات عالية الجودة، وأدلة الموجات الضوئية، والمرشحات الطيفية، والمستقطبات. يتم الآن إجراء الأبحاث حول البلورات الضوئية في أكثر من عشرين دولة، بما في ذلك روسيا، ويتزايد عدد المنشورات في هذا المجال، وكذلك عدد الندوات والمؤتمرات العلمية والمدارس بشكل كبير.

لفهم العمليات التي تحدث في البلورة الضوئية، يمكن مقارنتها ببلورة أشباه الموصلات، وانتشار الفوتونات مع حركة حاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب. على سبيل المثال، في السيليكون المثالي، يتم ترتيب الذرات في بنية بلورية تشبه الماس، ووفقًا لنظرية نطاق المواد الصلبة، تتفاعل الناقلات المشحونة، التي تنتشر في جميع أنحاء البلورة، مع إمكانات المجال الدوري للنواة الذرية. وهذا هو السبب وراء تكوين النطاقات المسموح بها والمحظورة - حيث تحظر ميكانيكا الكم وجود إلكترونات ذات طاقات تتوافق مع نطاق الطاقة المسمى بفجوة النطاق. على غرار البلورات التقليدية، تحتوي البلورات الضوئية على بنية خلية وحدة متناظرة للغاية. علاوة على ذلك، إذا تم تحديد بنية البلورة العادية من خلال مواقع الذرات في الشبكة البلورية، فسيتم تحديد بنية البلورة الضوئية عن طريق التعديل المكاني الدوري لثابت العزل الكهربائي للوسط (مقياس التعديل مشابه للطول الموجي الإشعاع المتفاعل).

الموصلات الضوئية والعوازل وأشباه الموصلات والموصلات الفائقة

استمرارًا للقياس، يمكن تقسيم البلورات الضوئية إلى موصلات وعوازل وأشباه الموصلات وموصلات فائقة.

الموصلات الضوئية لها نطاقات واسعة النطاق. وهي أجسام شفافة ينتقل فيها الضوء لمسافات طويلة دون أن يتم امتصاصه. فئة أخرى من البلورات الضوئية، العوازل الضوئية، لها فجوات نطاق واسعة. يتم استيفاء هذا الشرط، على سبيل المثال، من خلال المرايا العازلة واسعة النطاق ومتعددة الطبقات. على عكس الوسائط التقليدية المعتمة، التي يتحلل فيها الضوء بسرعة إلى حرارة، فإن العوازل الضوئية لا تمتص الضوء. أما بالنسبة لأشباه الموصلات الضوئية، فهي تحتوي على فجوات نطاقية أضيق من العوازل.

تُستخدم الأدلة الموجية البلورية الضوئية في صناعة المنسوجات الضوئية (في الصورة). لقد ظهرت هذه المنسوجات للتو، وحتى مجال تطبيقها لم يتم فهمه بالكامل بعد. ويمكن استخدامه، على سبيل المثال، لصنع ملابس تفاعلية، أو شاشة عرض ناعمة

الصورة: emt-photoniccrystal.blogspot.com

على الرغم من أن فكرة العصابات الضوئية والبلورات الضوئية لم تصبح راسخة في علم البصريات إلا في السنوات القليلة الماضية، إلا أن خصائص الهياكل ذات التغيرات الطبقية في معامل الانكسار معروفة منذ زمن طويل للفيزيائيين. كان أحد التطبيقات المهمة عمليًا لهذه الهياكل هو إنتاج الطلاءات ذات الخصائص البصرية الفريدة، المستخدمة لإنشاء مرشحات طيفية عالية الكفاءة وتقليل الانعكاس غير المرغوب فيه من العناصر البصرية (تسمى هذه البصريات البصريات المطلية) والمرايا العازلة ذات الانعكاسية القريبة من 100%. تشمل الأمثلة الأخرى المعروفة للهياكل الضوئية أحادية الأبعاد ليزر أشباه الموصلات مع ردود الفعل الموزعة، بالإضافة إلى أدلة الموجات الضوئية مع التعديل الطولي الدوري للمعلمات الفيزيائية (الملف الجانبي أو معامل الانكسار).

أما بالنسبة للبلورات العادية، فإن الطبيعة تمنحنا إياها بسخاء شديد. البلورات الضوئية نادرة جدًا في الطبيعة. ولذلك، إذا أردنا استغلال الخصائص الفريدة للبلورات الضوئية، فإننا مضطرون إلى تطوير طرق مختلفة لتنميتها.

كيفية زراعة البلورة الضوئية

ظل إنشاء بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد في نطاق الطول الموجي المرئي على مدى السنوات العشر الماضية إحدى الأولويات القصوى في علم المواد، والتي ركز معظم الباحثين من أجلها على نهجين مختلفين بشكل أساسي. يستخدم أحدهم طريقة قالب البذور - طريقة القالب. تخلق هذه الطريقة المتطلبات الأساسية للتنظيم الذاتي للأنظمة النانوية المركبة. الطريقة الثانية هي الطباعة الحجرية النانوية.

من بين المجموعة الأولى من الأساليب، الأكثر انتشارًا هي تلك التي تستخدم المجالات الغروية أحادية التشتت كقوالب لإنشاء مواد صلبة بنظام دوري من المسام. تتيح هذه الطرق الحصول على بلورات ضوئية تعتمد على المعادن وغير المعادن والأكاسيد وأشباه الموصلات والبوليمرات وما إلى ذلك. في المرحلة الأولى، يتم "تعبئة" المجالات الغروية ذات الأحجام المتشابهة بشكل موحد في شكل إطارات ثلاثية الأبعاد (أحيانًا ثنائية الأبعاد)، والتي تعمل لاحقًا كقوالب، وهو نظير للعقيق الطبيعي. في المرحلة الثانية، يتم تشريب الفراغات الموجودة في هيكل القالب بالسائل، والذي يتحول لاحقًا إلى إطار صلب تحت التأثيرات الفيزيائية والكيميائية المختلفة. الطرق الأخرى لملء فراغات القالب بمادة ما هي إما الطرق الكهروكيميائية أو طريقة CVD (ترسيب البخار الكيميائي).

وفي المرحلة الأخيرة تتم إزالة القالب (المجالات الغروية) باستخدام عمليات الذوبان أو التحلل الحراري حسب طبيعته. غالبًا ما تسمى الهياكل الناتجة بالنسخ المتماثلة العكسية للبلورات الغروية الأصلية، أو "الأوبال العكسي".

للاستخدام العملي، يجب ألا تتجاوز المناطق الخالية من العيوب في البلورة الضوئية 1000 ميكرومتر مربع. ولذلك فإن مشكلة ترتيب جزيئات الكوارتز والبوليمر الكروية تعتبر من أهم المشاكل عند إنشاء البلورات الضوئية.

في المجموعة الثانية من الطرق، تسمح الطباعة الحجرية الضوئية أحادية الفوتون والليثوغرافيا الضوئية ثنائية الفوتون بإنشاء بلورات فوتونية ثلاثية الأبعاد بدقة 200 نانومتر واستغلال خصائص بعض المواد، مثل البوليمرات، الحساسة للواحد والواحد. تشعيع ثنائي الفوتون ويمكن أن تتغير خصائصها عند تعرضها لهذا الإشعاع. تعد الطباعة الحجرية ذات الشعاع الإلكتروني طريقة مكلفة ولكنها سريعة لتصنيع البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد. في هذه الطريقة، يتم تشعيع مقاوم الضوء، الذي يغير خصائصه عند تعرضه لشعاع الإلكترون، بواسطة الشعاع في مواقع محددة لتشكيل قناع مكاني. بعد التشعيع، يتم غسل جزء من مقاوم الضوء، ويستخدم الجزء المتبقي كقناع للحفر في الدورة التكنولوجية اللاحقة. الحد الأقصى للدقة لهذه الطريقة هو 10 نانومتر. تشبه الطباعة الحجرية ذات الشعاع الأيوني من حيث المبدأ، ولكن بدلاً من شعاع الإلكترون، يتم استخدام شعاع أيوني. مزايا الطباعة الحجرية بشعاع الأيونات على الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون هي أن مقاوم الضوء أكثر حساسية لحزم الأيونات من أشعة الإلكترون وليس هناك "تأثير القرب" الذي يحد من الحد الأدنى لحجم المساحة الممكنة في الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون.

ولنذكر أيضًا بعض الطرق الأخرى لزراعة البلورات الضوئية. وتشمل هذه طرق التكوين التلقائي للبلورات الضوئية، وطرق النقش، والأساليب الثلاثية الأبعاد.

المستقبل الضوئي

إن إجراء التنبؤات أمر خطير بقدر ما هو مغري. ومع ذلك، فإن التوقعات الخاصة بمستقبل أجهزة الكريستال الضوئية متفائلة للغاية. نطاق استخدام البلورات الضوئية لا ينضب عمليا. حاليًا، ظهرت بالفعل الأجهزة أو المواد التي تستخدم الميزات الفريدة للبلورات الضوئية في السوق العالمية (أو ستظهر في المستقبل القريب). هذه هي أجهزة الليزر ذات البلورات الضوئية (ليزر منخفض العتبة وبدون عتبة)؛ أدلة موجية تعتمد على البلورات الضوئية (وهي أكثر إحكاما ولها خسائر أقل مقارنة بالألياف التقليدية)؛ المواد ذات معامل انكسار سلبي، مما يجعل من الممكن تركيز الضوء في نقطة أصغر من الطول الموجي؛ حلم الفيزيائيين هو المنشورات الفائقة؛ أجهزة التخزين الضوئية والمنطقية؛ يعرض على أساس البلورات الضوئية. ستقوم البلورات الضوئية أيضًا بمعالجة الألوان. لقد تم بالفعل تطوير شاشة عرض كبيرة الحجم قابلة للانحناء على بلورات فوتونية ذات نطاق طيفي عالٍ - من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية، حيث يكون كل بكسل عبارة عن بلورة فوتونية - وهي مجموعة من كريات السيليكون الدقيقة الموجودة في الفضاء بطريقة محددة بدقة. يتم إنشاء الموصلات الفائقة الضوئية. يمكن استخدام هذه الموصلات الفائقة لإنشاء أجهزة استشعار لدرجة الحرارة الضوئية، والتي بدورها ستعمل بترددات عالية ويتم دمجها مع العوازل الضوئية وأشباه الموصلات.

لا يزال الإنسان يخطط للاستخدام التكنولوجي للبلورات الضوئية، لكن فأر البحر (Aphrodite aculeata) يستخدمها عمليًا لفترة طويلة. يتمتع فراء هذه الدودة بظاهرة قزحية واضحة لدرجة أنها قادرة على عكس الضوء بشكل انتقائي بكفاءة تقترب من 100٪ في المنطقة المرئية بأكملها من الطيف - من الأحمر إلى الأخضر والأزرق. مثل هذا الكمبيوتر البصري المتخصص "الموجود على متن الطائرة" يساعد هذه الدودة على البقاء على قيد الحياة على أعماق تصل إلى 500 متر، ومن الآمن أن نقول إن الذكاء البشري سوف يذهب إلى أبعد من ذلك بكثير في استخدام الخصائص الفريدة للبلورات الضوئية.