(superlattice kristal), di mana bidang tambahan dibuat secara artifisial dengan periode yang besarnya lebih besar dari periode kisi utama. Dengan kata lain, ini adalah sistem yang tertata secara spasial dengan perubahan periodik yang ketat dalam indeks bias pada skala yang sebanding dengan panjang gelombang radiasi dalam rentang cahaya tampak dan inframerah dekat. Berkat ini, kisi-kisi semacam itu memungkinkan diperolehnya zona yang diizinkan dan terlarang untuk energi foton.

Secara umum, spektrum energi foton yang bergerak dalam kristal fotonik mirip dengan spektrum elektron dalam kristal nyata, misalnya dalam semikonduktor. Zona terlarang juga terbentuk di sini, dalam rentang frekuensi tertentu di mana perambatan foton secara bebas dilarang. Periode modulasi konstanta dielektrik menentukan posisi energi celah pita dan panjang gelombang radiasi yang dipantulkan. Dan lebar celah pita ditentukan oleh kontras konstanta dielektrik.

Studi tentang kristal fotonik dimulai pada tahun 1987 dan dengan cepat menjadi mode di banyak laboratorium terkemuka di dunia. Kristal fotonik pertama diciptakan pada awal tahun 1990an oleh karyawan Bell Labs Eli Yablonovitch, yang sekarang bekerja di Universitas California. Untuk mendapatkan kisi periodik 3 dimensi pada material listrik, melalui topeng Eli, Yablonovich mengebor lubang silinder sedemikian rupa sehingga jaringannya dalam volume material membentuk kisi kubik rongga yang berpusat pada permukaan, sedangkan konstanta dielektriknya adalah dimodulasi dengan periode 1 sentimeter di ketiga dimensi.

Pertimbangkan kejadian foton pada kristal fotonik. Jika foton ini memiliki energi yang sesuai dengan celah pita kristal fotonik, maka foton tersebut tidak akan dapat merambat di dalam kristal dan akan dipantulkan darinya. Begitu pula sebaliknya, jika foton mempunyai energi yang sesuai dengan energi zona izin kristal, maka foton akan mampu merambat di dalam kristal. Jadi, kristal fotonik mempunyai fungsi sebagai filter optik, mentransmisikan atau memantulkan foton dengan energi tertentu.

Di alam, sayap kupu-kupu swallowtail Afrika, burung merak dan batu semi mulia seperti opal dan mutiara memiliki sifat ini (Gbr. 1).

Kristal fotonik diklasifikasikan menurut arah perubahan periodik indeks bias dalam pengukuran:

1. Kristal fotonik satu dimensi. Dalam kristal seperti itu, indeks bias berubah dalam satu arah spasial (Gbr. 1). Kristal fotonik satu dimensi terdiri dari lapisan bahan yang sejajar satu sama lain dengan indeks bias berbeda. Kristal semacam itu menunjukkan sifat hanya dalam satu arah spasial yang tegak lurus terhadap lapisannya.
2. Kristal fotonik dua dimensi. Dalam kristal seperti itu, indeks bias berubah dalam dua arah spasial (Gbr. 2). Dalam kristal seperti itu, daerah dengan satu indeks bias (n1) terletak di media dengan indeks bias lain (n2). Bentuk daerah dengan indeks bias bisa apa saja, seperti halnya kisi kristal itu sendiri. Kristal fotonik tersebut dapat menunjukkan sifat-sifatnya dalam dua arah spasial.
3. Kristal fotonik tiga dimensi. Dalam kristal tersebut, indeks bias berubah dalam tiga arah spasial (Gbr. 3). Kristal tersebut dapat menunjukkan sifat-sifatnya dalam tiga arah spasial.

Berdasarkan sifat perubahan indeks biasnya, kristal fotonik dapat dibagi menjadi tiga kelas utama:

1. Satu dimensi, dimana indeks biasnya berubah secara berkala dalam satu arah spasial seperti terlihat pada Gambar 2. Pada gambar ini, simbol L menunjukkan periode perubahan indeks bias, dan dan merupakan indeks bias dua bahan ( tetapi dalam kasus umum, sejumlah materi mungkin ada). Kristal fotonik tersebut terdiri dari lapisan bahan berbeda yang sejajar satu sama lain dengan indeks bias berbeda dan dapat menunjukkan sifat-sifatnya dalam satu arah spasial, tegak lurus terhadap lapisan tersebut.

Gambar 1 - Representasi skema kristal fotonik satu dimensi

2. Dua dimensi, yang indeks biasnya bervariasi secara periodik dalam dua arah spasial seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Pada gambar ini, kristal fotonik dibuat oleh daerah persegi panjang dengan indeks bias, yang terletak pada medium dengan indeks bias . Dalam hal ini, daerah dengan indeks bias diurutkan dalam kisi kubik dua dimensi. Kristal fotonik tersebut dapat menunjukkan sifat-sifatnya dalam dua arah spasial, dan bentuk daerah dengan indeks bias tidak terbatas pada persegi panjang, seperti pada gambar, tetapi dapat berupa apa saja (lingkaran, elips, sembarang, dll.). Kisi kristal tempat penataan area ini juga bisa berbeda, dan tidak hanya kubik, seperti pada gambar di atas.

Gambar - 2 Representasi skema kristal fotonik dua dimensi

3. Tiga dimensi, dimana indeks biasnya berubah secara berkala dalam tiga arah spasial. Kristal fotonik tersebut dapat menunjukkan sifat-sifatnya dalam tiga arah spasial, dan dapat direpresentasikan sebagai susunan daerah volumetrik (bola, kubus, dll.) yang disusun dalam kisi kristal tiga dimensi.

Seperti media listrik, tergantung pada lebar zona terlarang dan diperbolehkan, kristal fotonik dapat dibagi menjadi konduktor - mampu menghantarkan cahaya dalam jarak jauh dengan kerugian rendah, dielektrik - cermin hampir ideal, semikonduktor - zat yang mampu, misalnya, selektif memantulkan foton dengan panjang gelombang tertentu dan superkonduktor, yang berkat fenomena kolektif, foton mampu merambat pada jarak yang hampir tak terbatas.

Ada juga kristal fotonik resonansi dan non-resonansi. Kristal fotonik resonansi berbeda dari kristal non-resonansi karena mereka menggunakan bahan yang konstanta dielektriknya (atau indeks bias) sebagai fungsi frekuensi mempunyai kutub pada frekuensi resonansi tertentu.

Ketidakhomogenan apa pun dalam kristal fotonik disebut cacat kristal fotonik. Medan elektromagnetik sering terkonsentrasi di area seperti itu, yang digunakan dalam rongga mikro dan pandu gelombang yang dibangun berdasarkan kristal fotonik.

Seperti media listrik, tergantung pada lebar zona terlarang dan diperbolehkan, kristal fotonik dapat dibagi menjadi konduktor - mampu menghantarkan cahaya dalam jarak jauh dengan kerugian rendah, dielektrik - cermin hampir ideal, semikonduktor - zat yang mampu, misalnya, selektif memantulkan foton dengan panjang gelombang tertentu dan superkonduktor, yang berkat fenomena kolektif, foton mampu merambat pada jarak yang hampir tak terbatas. Ada juga kristal fotonik resonansi dan non-resonansi. Kristal fotonik resonansi berbeda dari kristal non-resonansi karena mereka menggunakan bahan yang konstanta dielektriknya (atau indeks bias) sebagai fungsi frekuensi mempunyai kutub pada frekuensi resonansi tertentu.

Ketidakhomogenan apa pun dalam kristal fotonik disebut cacat kristal fotonik. Medan elektromagnetik sering terkonsentrasi di area seperti itu, yang digunakan dalam rongga mikro dan pandu gelombang yang dibangun berdasarkan kristal fotonik. Ada sejumlah analogi ketika menggambarkan perambatan gelombang elektromagnetik dalam kristal fotonik dan sifat elektronik kristal. Mari kita daftar beberapa di antaranya.

1. Keadaan elektron di dalam kristal (hukum gerak) diberikan dengan menyelesaikan persamaan Schrldinger; perambatan cahaya dalam kristal fotonik mengikuti persamaan gelombang, yang merupakan konsekuensi dari persamaan Maxwell:

• 2. Keadaan elektron dijelaskan oleh fungsi gelombang skalar w(r,t), keadaan gelombang elektromagnetik dijelaskan oleh medan vektor - kekuatan komponen magnet atau listrik, H (r,t) atau E (r,t).
• 3. Fungsi gelombang elektron w(r,t) dapat diperluas menjadi serangkaian keadaan eigen wE(r), yang masing-masing mempunyai energinya sendiri E. Kuat medan elektromagnetik H(r,t) dapat direpresentasikan dengan superposisi komponen monokromatik (mode) medan elektromagnetik Hsh(r), yang masing-masing memiliki nilainya sendiri - frekuensi mode u:

4. Potensi atom U(r) dan konstanta dielektrik e(r), yang muncul dalam persamaan Schrldinger dan Maxwell, merupakan fungsi periodik dengan periode yang masing-masing sama dengan vektor R kisi kristal dan kristal fotonik:

U(r) = U(r + R), (3)

5. Untuk fungsi gelombang elektron dan kuat medan elektromagnetik, teorema Bloch dipenuhi dengan fungsi periodik u k dan kamu k.

• 6. Kemungkinan nilai vektor gelombang k mengisi zona Brillouin dari kisi kristal atau sel satuan kristal fotonik, yang didefinisikan dalam ruang vektor invers.
• 7. Energi elektron E, yang merupakan nilai eigen persamaan Schrldinger, dan nilai eigen persamaan gelombang (konsekuensi persamaan Maxwell) - frekuensi mode u - berhubungan dengan nilai vektor gelombang k dari Bloch fungsi (4) menurut hukum dispersi E(k) dan u(k).
• 8. Atom pengotor yang melanggar simetri translasi potensial atom merupakan cacat kristal dan dapat menimbulkan keadaan elektronik pengotor yang terlokalisasi di sekitar cacat tersebut. Perubahan konstanta dielektrik di wilayah tertentu kristal fotonik merusak simetri translasi e(r) dan menyebabkan munculnya mode yang diizinkan di dalam celah pita fotonik, yang terlokalisasi di sekitar spasialnya.

Saya tidak bisa berpura-pura menilai warna secara tidak memihak. Saya bersukacita dengan warna-warna yang berkilauan dan benar-benar menyesali warna coklat yang jarang. (Tuan Winston Churchill).

Asal usul kristal fotonik

Melihat sayap kupu-kupu atau lapisan cangkang mutiara (Gambar 1), Anda akan takjub melihat bagaimana Alam - bahkan selama ratusan ribu atau jutaan tahun - mampu menciptakan biostruktur yang begitu menakjubkan. Namun, tidak hanya di bioworld terdapat struktur serupa dengan warna-warni, yang merupakan contoh kemungkinan kreatif Alam yang hampir tak terbatas. Misalnya, batu opal semi mulia telah membuat orang terpesona sejak zaman kuno karena kecemerlangannya (Gambar 2).

Saat ini, setiap siswa kelas sembilan mengetahui bahwa tidak hanya proses penyerapan dan pemantulan cahaya yang menghasilkan apa yang kita sebut warna dunia, tetapi juga proses difraksi dan interferensi. Kisi difraksi, yang dapat kita temukan di alam, adalah struktur dengan konstanta dielektrik yang berubah secara berkala, dan periodenya sebanding dengan panjang gelombang cahaya (Gambar 3). Ini bisa berupa kisi-kisi 1D, seperti lapisan mutiara pada cangkang moluska seperti abalon, kisi-kisi 2D, seperti antena tikus laut, cacing polychaete, dan kisi-kisi 3D, yang memberi warna biru cerah pada kupu-kupu dari Peru , serta opal.

Dalam hal ini, Alam, sebagai ahli kimia material paling berpengalaman, mendorong kita ke solusi berikut: kisi difraksi optik tiga dimensi dapat disintesis dengan membuat kisi dielektrik yang saling melengkapi secara geometris, yaitu. yang satu berbanding terbalik dengan yang lain. Dan karena Jean-Marie Lehn mengucapkan ungkapan terkenal: “Jika sesuatu itu ada, maka ia dapat disintesis,” kita harus mempraktikkan kesimpulan ini.

Semikonduktor fotonik dan celah pita fotonik

Jadi, dalam rumusan sederhana, kristal fotonik adalah bahan yang strukturnya dicirikan oleh perubahan indeks bias secara periodik dalam arah spasial, yang mengarah pada pembentukan celah pita fotonik. Biasanya, untuk memahami arti istilah “kristal fotonik” dan “celah pita fotonik”, bahan semacam itu dianggap sebagai analogi optik dengan semikonduktor. Penyelesaian persamaan Maxwell untuk perambatan cahaya dalam kisi dielektrik menunjukkan bahwa, akibat difraksi Bragg, distribusi frekuensi foton ω(k) bergantung pada vektor gelombang k (2π/λ) akan memiliki daerah diskontinuitas. Pernyataan ini disajikan secara grafis pada Gambar 4, yang menunjukkan analogi antara perambatan elektron dalam kisi kristal 1D dan foton dalam kisi fotonik 1D. Kerapatan kontinu keadaan elektron bebas dan foton dalam ruang hampa masing-masing mengalami pemutusan di dalam kisi kristal dan foton dalam apa yang disebut "zona berhenti" pada nilai vektor gelombang k (yaitu momentum) , yang sesuai dengan gelombang berdiri. Ini adalah kondisi difraksi Bragg antara elektron dan foton.

Celah pita fotonik adalah rentang frekuensi ω(k) dalam ruang timbal balik vektor gelombang k, dimana perambatan cahaya dengan frekuensi (atau panjang gelombang) tertentu dilarang dalam kristal fotonik ke segala arah, sedangkan cahaya datang pada kristal fotonik kristal fotonik sepenuhnya dipantulkan darinya. Jika cahaya “muncul” di dalam kristal fotonik, maka cahaya tersebut akan “dibekukan” di dalamnya. Zona itu sendiri mungkin tidak lengkap, yang disebut zona stop. Gambar 5 menunjukkan kristal fotonik 1D, 2D dan 3D dalam ruang nyata dan keadaan kerapatan foton dalam ruang timbal balik.

Celah pita fotonik dari kristal fotonik tiga dimensi agak analog dengan celah pita elektronik pada kristal silikon. Oleh karena itu, celah pita fotonik “mengontrol” aliran cahaya dalam kristal fotonik silikon dengan cara yang mirip dengan bagaimana transpor pembawa muatan terjadi dalam kristal silikon. Dalam dua kasus ini, pembentukan celah pita masing-masing disebabkan oleh gelombang berdiri foton atau elektron.

Buat kristal fotonik Anda sendiri

Anehnya, persamaan Maxwell untuk kristal fotonik tidak sensitif terhadap penskalaan, tidak seperti persamaan Schrödinger untuk kristal elektronik. Hal ini muncul karena fakta bahwa panjang gelombang elektron dalam kristal “normal” kurang lebih tetap pada tingkat beberapa angstrom, sedangkan skala dimensi panjang gelombang cahaya dalam kristal fotonik dapat bervariasi dari radiasi ultraviolet hingga gelombang mikro, semata-mata karena perubahan dimensi kisi komponen fotonik. Hal ini mengarah pada kemungkinan yang benar-benar tidak ada habisnya untuk menyempurnakan sifat-sifat kristal fotonik.

Saat ini, ada banyak metode untuk memproduksi kristal fotonik. Beberapa di antaranya lebih cocok untuk pembentukan kristal fotonik satu dimensi, yang lain cocok untuk kristal fotonik dua dimensi, yang lain lebih sering diterapkan pada kristal fotonik tiga dimensi, dan yang lain lebih cocok untuk pembentukan kristal fotonik tiga dimensi. digunakan dalam produksi kristal fotonik pada perangkat optik lain, dll. Namun, tidak semuanya terbatas hanya pada memvariasikan dimensi elemen struktur. Kristal fotonik juga dapat tercipta karena nonlinier optik, transisi logam-bukan logam, keadaan kristal cair, birefringence feroelektrik, pembengkakan dan kontraksi gel polimer, dan sebagainya, selama indeks biasnya berubah.

Di mana tidak ada cacat?!

Praktis tidak ada bahan di dunia yang bebas dari cacat, dan ini bagus. Ini adalah cacat pada bahan fase padat di b HAI Pada tingkat yang lebih besar daripada struktur kristal itu sendiri, mereka mempengaruhi berbagai sifat bahan dan, pada akhirnya, karakteristik fungsionalnya, serta kemungkinan penerapannya. Pernyataan serupa juga berlaku dalam kasus kristal fotonik. Dari pertimbangan teoretis dapat disimpulkan bahwa pengenalan cacat (titik, perluasan - dislokasi - atau pembengkokan) pada tingkat mikro ke dalam kisi fotonik yang ideal memungkinkan terciptanya keadaan tertentu di dalam celah pita fotonik di mana cahaya dapat dilokalisasi, dan propagasi cahaya dapat dibatasi atau, sebaliknya, ditingkatkan di sepanjang dan di sekitar pandu gelombang yang sangat kecil (Gambar 6). Jika kita analogikan dengan semikonduktor, maka keadaan ini menyerupai tingkat pengotor dalam semikonduktor. Kristal fotonik dengan “kecacatan terkontrol” dapat digunakan untuk membuat perangkat dan sirkuit serba optik untuk teknologi telekomunikasi optik generasi baru.

Teknologi informasi ringan

Gambar 7 menunjukkan salah satu gambar futuristik dari chip masa depan yang serba ringan, yang tidak diragukan lagi telah menarik imajinasi para ahli kimia, fisikawan, dan ilmuwan material selama satu dekade penuh. Chip semua optik terdiri dari kristal fotonik berukuran mikro terintegrasi dengan periodisitas 1D, 2D dan 3D, yang dapat bertindak sebagai sakelar, filter, laser ambang rendah, dll., sementara cahaya ditransmisikan di antara keduanya melalui pandu gelombang semata-mata karena cacat struktural . Meskipun topik kristal fotonik ada dalam “peta jalan” pengembangan teknologi fotonik, penelitian dan penerapan praktis bahan-bahan ini masih dalam tahap awal pengembangannya. Ini adalah topik penemuan masa depan yang dapat mengarah pada penciptaan komputer ultracepat yang serba ringan, serta komputer kuantum. Namun, agar impian para penulis fiksi ilmiah dan banyak ilmuwan yang telah mengabdikan hidup mereka untuk mempelajari bahan yang menarik dan signifikan secara praktis seperti kristal fotonik menjadi kenyataan, sejumlah pertanyaan perlu dijawab. Misalnya, seperti: apa yang perlu diubah pada bahan itu sendiri untuk memecahkan masalah yang terkait dengan pembuatan chip terintegrasi dari kristal fotonik berukuran mikro yang lebih kecil untuk penggunaan praktis yang luas? Apakah mungkin, dengan menggunakan desain mikro (“top-down”), atau perakitan mandiri (“bottom-up”), atau perpaduan kedua metode ini (misalnya, perakitan mandiri terarah), untuk mewujudkan pada skala industri produksi chip dari kristal fotonik berukuran mikro? Apakah ilmu komputer berbasis chip cahaya kristal mikrofotonik itu kenyataan atau masih khayalan futuris?

Ilya Polishchuk, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika, Profesor di MIPT, Peneliti Terkemuka di Pusat Penelitian Nasional "Kurchatov Institute"

Penggunaan mikroelektronika dalam pemrosesan informasi dan sistem komunikasi telah mengubah dunia secara radikal. Tidak ada keraguan bahwa konsekuensi dari booming penelitian di bidang fisika kristal fotonik dan perangkat yang didasarkan padanya akan sebanding pentingnya dengan penciptaan mikroelektronika terintegrasi lebih dari setengah abad yang lalu. Bahan jenis baru akan memungkinkan pembuatan sirkuit mikro optik dalam "gambar dan rupa" elemen elektronik semikonduktor, dan metode transmisi, penyimpanan, dan pemrosesan informasi yang pada dasarnya baru, yang dikembangkan saat ini pada kristal fotonik, pada gilirannya, akan diterapkan. dalam elektronik semikonduktor masa depan. Tidak mengherankan jika bidang penelitian ini menjadi salah satu yang terpanas di pusat penelitian, perusahaan teknologi tinggi, dan kompleks industri militer terbesar di dunia. Tentu saja, Rusia juga tidak terkecuali. Selain itu, kristal fotonik adalah subjek kerja sama internasional yang efektif. Sebagai contoh, mari kita lihat lebih dari sepuluh tahun kerja sama antara Kintech Lab LLC Rusia dan perusahaan terkenal Amerika General Electric.

Sejarah kristal fotonik

Secara historis, teori hamburan foton pada kisi tiga dimensi mulai berkembang secara intensif dari daerah panjang gelombang ~0,01-1 nm, terletak pada rentang sinar-X, di mana simpul kristal fotonik adalah atom itu sendiri. Pada tahun 1986, Eli Yablonovich dari Universitas California di Los Angeles mengusulkan gagasan untuk menciptakan struktur dielektrik tiga dimensi, mirip dengan kristal biasa, di mana gelombang elektromagnetik dari pita spektrum tertentu tidak dapat merambat. Struktur seperti ini disebut struktur celah pita fotonik atau kristal fotonik. Lima tahun kemudian, kristal fotonik semacam itu dibuat dengan mengebor lubang berukuran milimeter pada bahan dengan indeks bias tinggi. Kristal buatan semacam itu, yang kemudian diberi nama Yablonovite, tidak memancarkan radiasi gelombang milimeter dan benar-benar menerapkan struktur fotonik dengan celah pita (omong-omong, susunan antena bertahap juga dapat dimasukkan dalam kelas objek fisik yang sama).

Struktur fotonik, di mana perambatan gelombang elektromagnetik (khususnya optik) dalam pita frekuensi tertentu dalam satu, dua atau tiga arah, dapat digunakan untuk membuat perangkat optik terintegrasi untuk mengendalikan gelombang ini. Saat ini, ideologi struktur fotonik mendasari penciptaan laser semikonduktor bebas ambang batas, laser berbasis ion tanah jarang, resonator Q tinggi, pandu gelombang optik, filter spektral, dan polarizer. Penelitian tentang kristal fotonik kini dilakukan di lebih dari dua lusin negara, termasuk Rusia, dan jumlah publikasi di bidang ini, serta jumlah simposium dan konferensi ilmiah serta sekolah, tumbuh secara eksponensial.

Untuk memahami proses yang terjadi pada kristal fotonik, dapat dibandingkan dengan kristal semikonduktor, dan perambatan foton dengan pergerakan pembawa muatan - elektron dan lubang. Misalnya, dalam silikon ideal, atom-atom tersusun dalam struktur kristal seperti berlian, dan, menurut teori pita padatan, pembawa bermuatan, yang menyebar ke seluruh kristal, berinteraksi dengan potensial medan periodik inti atom. Inilah alasan terbentuknya pita yang diperbolehkan dan terlarang - mekanika kuantum melarang keberadaan elektron dengan energi yang sesuai dengan rentang energi yang disebut celah pita. Mirip dengan kristal konvensional, kristal fotonik mengandung struktur sel satuan yang sangat simetris. Selain itu, jika struktur kristal biasa ditentukan oleh posisi atom dalam kisi kristal, maka struktur kristal fotonik ditentukan oleh modulasi spasial periodik dari konstanta dielektrik medium (skala modulasi sebanding dengan panjang gelombang dari radiasi yang berinteraksi).

Konduktor fotonik, isolator, semikonduktor dan superkonduktor

Melanjutkan analoginya, kristal fotonik dapat dibagi menjadi konduktor, isolator, semikonduktor, dan superkonduktor.

Konduktor fotonik mempunyai pita resolusi yang lebar. Ini adalah benda transparan di mana cahaya merambat jarak jauh tanpa diserap. Kelas kristal fotonik lainnya, isolator fotonik, memiliki celah pita yang lebar. Kondisi ini dipenuhi, misalnya, dengan cermin dielektrik multilapis dengan jangkauan luas. Tidak seperti media buram konvensional, di mana cahaya cepat terurai menjadi panas, isolator fotonik tidak menyerap cahaya. Sedangkan untuk semikonduktor fotonik, celah pitanya lebih sempit dibandingkan isolator.

Pandu gelombang kristal fotonik digunakan untuk membuat tekstil fotonik (foto). Tekstil semacam itu baru saja muncul, dan bahkan ruang lingkup penerapannya belum sepenuhnya dipahami. Dapat digunakan untuk membuat, misalnya, pakaian interaktif, atau tampilan lembut

Foto: emt-photoniccrystal.blogspot.com

Terlepas dari kenyataan bahwa gagasan tentang pita fotonik dan kristal fotonik baru terbentuk di bidang optik selama beberapa tahun terakhir, sifat-sifat struktur dengan perubahan berlapis dalam indeks bias telah lama diketahui oleh fisikawan. Salah satu aplikasi pertama yang praktis penting dari struktur tersebut adalah produksi pelapis dengan karakteristik optik unik, yang digunakan untuk membuat filter spektral yang sangat efisien dan mengurangi pantulan yang tidak diinginkan dari elemen optik (optik semacam itu disebut optik berlapis) dan cermin dielektrik dengan reflektifitas mendekati 100%. Contoh terkenal lainnya dari struktur fotonik 1D termasuk laser semikonduktor dengan umpan balik terdistribusi, serta pandu gelombang optik dengan modulasi longitudinal periodik dari parameter fisik (profil atau indeks bias).

Sedangkan untuk kristal biasa, alam memberikannya kepada kita dengan sangat murah hati. Kristal fotonik sangat langka di alam. Oleh karena itu, jika kita ingin memanfaatkan sifat unik kristal fotonik, kita terpaksa mengembangkan metode berbeda untuk menumbuhkannya.

Cara menumbuhkan kristal fotonik

Penciptaan kristal fotonik tiga dimensi dalam rentang panjang gelombang tampak selama sepuluh tahun terakhir tetap menjadi salah satu prioritas utama dalam ilmu material, di mana sebagian besar peneliti berfokus pada dua pendekatan yang berbeda secara mendasar. Salah satunya menggunakan metode seed template – metode template. Metode ini menciptakan prasyarat untuk pengorganisasian mandiri sistem nano yang disintesis. Metode kedua adalah nanolitografi.

Di antara metode kelompok pertama, yang paling luas adalah metode yang menggunakan bola koloid monodispersi sebagai templat untuk membuat padatan dengan sistem pori periodik. Metode ini memungkinkan diperolehnya kristal fotonik berdasarkan logam, non-logam, oksida, semikonduktor, polimer, dll. Pada tahap pertama, bola koloid dengan ukuran serupa “dikemas” secara seragam dalam bentuk kerangka tiga dimensi (terkadang dua dimensi), yang kemudian bertindak sebagai templat, analog dengan opal alami. Pada tahap kedua, rongga dalam struktur templat diresapi dengan cairan, yang kemudian berubah menjadi kerangka padat di bawah berbagai pengaruh fisikokimia. Metode lain untuk mengisi rongga templat dengan suatu zat adalah metode elektrokimia atau metode CVD (Chemical Vapour Deposition).

Pada tahap terakhir, cetakan (bola koloid) dihilangkan menggunakan proses pelarutan atau dekomposisi termal, tergantung pada sifatnya. Struktur yang dihasilkan sering disebut replika terbalik dari kristal koloid asli, atau "opal terbalik".

Untuk penggunaan praktis, area bebas cacat dalam kristal fotonik tidak boleh melebihi 1000 μm2. Oleh karena itu, masalah pemesanan partikel bola kuarsa dan polimer adalah salah satu masalah terpenting saat membuat kristal fotonik.

Pada metode kelompok kedua, fotolitografi foton tunggal dan fotolitografi dua foton memungkinkan terciptanya kristal fotonik tiga dimensi dengan resolusi 200 nm dan memanfaatkan sifat beberapa bahan, seperti polimer, yang sensitif terhadap satu dan iradiasi dua foton dan dapat mengubah sifatnya ketika terkena radiasi ini. Litografi berkas elektron adalah metode yang mahal namun cepat untuk membuat kristal fotonik dua dimensi. Dalam metode ini, photoresist, yang mengubah sifat-sifatnya ketika terkena berkas elektron, disinari oleh berkas tersebut di lokasi tertentu untuk membentuk topeng spasial. Setelah iradiasi, sebagian dari photoresist dicuci, dan sisanya digunakan sebagai masker untuk etsa pada siklus teknologi berikutnya. Resolusi maksimum metode ini adalah 10nm. Litografi berkas ion pada prinsipnya serupa, tetapi berkas ion digunakan sebagai pengganti berkas elektron. Keuntungan litografi berkas ion dibandingkan litografi berkas elektron adalah bahwa photoresist lebih sensitif terhadap berkas ion dibandingkan berkas elektron dan tidak ada "efek kedekatan" yang membatasi ukuran area seminimal mungkin dalam litografi berkas elektron.

Mari kita sebutkan juga beberapa metode lain untuk menumbuhkan kristal fotonik. Ini termasuk metode pembentukan kristal fotonik secara spontan, metode etsa, dan metode holografik.

Masa depan fotonik

Membuat prediksi sama berbahayanya dengan godaannya. Namun, perkiraan masa depan perangkat kristal fotonik sangat optimis. Ruang lingkup penggunaan kristal fotonik praktis tidak ada habisnya. Saat ini, perangkat atau bahan yang menggunakan fitur unik kristal fotonik telah muncul di pasar dunia (atau akan muncul dalam waktu dekat). Ini adalah laser dengan kristal fotonik (laser dengan ambang batas rendah dan tanpa ambang batas); pandu gelombang berdasarkan kristal fotonik (lebih kompak dan memiliki kerugian lebih rendah dibandingkan serat konvensional); bahan dengan indeks bias negatif, sehingga memungkinkan untuk memfokuskan cahaya ke titik yang lebih kecil dari panjang gelombang; impian fisikawan adalah superprisma; penyimpanan optik dan perangkat logika; tampilan berdasarkan kristal fotonik. Kristal fotonik juga akan melakukan manipulasi warna. Tampilan format besar yang dapat ditekuk pada kristal fotonik dengan rentang spektral tinggi telah dikembangkan - dari radiasi inframerah hingga ultraviolet, di mana setiap piksel adalah kristal fotonik - serangkaian mikrosfer silikon yang terletak di ruang angkasa dengan cara yang ditentukan secara ketat. Superkonduktor fotonik sedang dibuat. Superkonduktor tersebut dapat digunakan untuk membuat sensor suhu optik, yang selanjutnya akan beroperasi pada frekuensi tinggi dan dikombinasikan dengan isolator fotonik dan semikonduktor.

Manusia masih merencanakan penggunaan teknologi kristal fotonik, tetapi tikus laut (Aphrodite aculeata) telah lama menggunakannya dalam praktik. Bulu cacing ini memiliki fenomena warna-warni yang begitu nyata sehingga mampu memantulkan cahaya secara selektif dengan efisiensi mendekati 100% di seluruh wilayah spektrum yang terlihat - dari merah ke hijau dan biru. Komputer optik “on-board” khusus membantu cacing ini bertahan hidup di kedalaman hingga 500 m. Dapat dikatakan bahwa kecerdasan manusia akan melangkah lebih jauh dalam menggunakan sifat unik kristal fotonik.

2014 G.

Kristal fotonik

Kristal fotonik (PC) adalah struktur yang dicirikan oleh perubahan konstanta dielektrik secara periodik dalam ruang. Sifat optik PC sangat berbeda dengan sifat optik media kontinu. Perambatan radiasi di dalam kristal fotonik, karena periodisitas medium, menjadi serupa dengan pergerakan elektron di dalam kristal biasa di bawah pengaruh potensial periodik. Akibatnya, gelombang elektromagnetik pada kristal fotonik mempunyai spektrum pita dan ketergantungan koordinat yang mirip dengan gelombang elektron Bloch pada kristal biasa. Dalam kondisi tertentu, celah terbentuk pada struktur pita PC, mirip dengan pita elektronik terlarang pada kristal alami. Bergantung pada sifat spesifiknya (bahan unsur, ukuran dan periode kisinya), baik zona frekuensi yang sepenuhnya dilarang, di mana perambatan radiasi tidak mungkin dilakukan terlepas dari polarisasi dan arahnya, dan sebagian dilarang (zona berhenti), di mana distribusinya hanya mungkin pada arah tertentu.

Kristal fotonik menarik baik dari sudut pandang fundamental maupun untuk berbagai aplikasi. Berdasarkan kristal fotonik, filter optik, pandu gelombang (khususnya, pada jalur komunikasi serat optik), dan perangkat yang memungkinkan pengendalian radiasi termal telah dibuat dan dikembangkan, desain laser dengan ambang pompa yang dikurangi telah diusulkan berdasarkan kristal fotonik.

Selain mengubah spektrum pantulan, transmisi dan serapan, kristal fotonik dielektrik logam memiliki kepadatan keadaan fotonik tertentu. Perubahan kepadatan keadaan dapat secara signifikan mempengaruhi masa keadaan tereksitasi suatu atom atau molekul yang ditempatkan di dalam kristal fotonik dan, akibatnya, mengubah karakter pendaran. Misalnya, jika frekuensi transisi dalam molekul indikator yang terletak di kristal fotonik jatuh ke dalam celah pita, maka pendaran pada frekuensi ini akan ditekan.

FC dibagi menjadi tiga jenis: satu dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi.

Kristal fotonik satu, dua dan tiga dimensi. Warna yang berbeda sesuai dengan bahan dengan konstanta dielektrik yang berbeda.

FC dengan lapisan bergantian yang terbuat dari bahan berbeda bersifat satu dimensi.

Gambar elektron dari PC satu dimensi yang digunakan dalam laser sebagai cermin multilayer Bragg.

PC dua dimensi dapat memiliki geometri yang lebih beragam. Ini, misalnya, termasuk susunan silinder dengan panjang tak terhingga (ukuran melintangnya jauh lebih kecil daripada yang memanjang) atau sistem lubang silinder periodik.

Gambar elektronik kristal fotonik dua dimensi maju dan mundur dengan kisi segitiga.

Struktur PC tiga dimensi sangat beragam. Yang paling umum dalam kategori ini adalah sistem diffuser bola yang dipesan dengan opal buatan. Ada dua jenis utama opal: opal langsung dan terbalik. Peralihan dari opal langsung ke opal terbalik dilakukan dengan mengganti semua elemen berbentuk bola dengan rongga (biasanya udara), sedangkan ruang di antara rongga tersebut diisi dengan beberapa material.

Di bawah ini adalah permukaan PC, yang merupakan opal lurus dengan kisi kubik berdasarkan mikropartikel polistiren bulat yang terorganisir sendiri.

Permukaan bagian dalam PC dengan kisi kubik berdasarkan mikropartikel polistiren bulat yang terorganisir sendiri.

Struktur berikut ini adalah opal terbalik yang disintesis sebagai hasil proses kimia multi-langkah: perakitan sendiri partikel bola polimer, impregnasi rongga bahan yang dihasilkan dengan suatu zat, dan penghilangan matriks polimer dengan etsa kimia.

Permukaan opal terbalik kuarsa. Foto itu diperoleh dengan menggunakan pemindaian mikroskop elektron.

Jenis lain dari PC tiga dimensi adalah struktur “tumpukan kayu” yang dibentuk oleh paralelepiped persegi panjang yang bersilangan, biasanya pada sudut siku-siku.

Foto elektronik FC yang terbuat dari logam paralelepiped.