Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Morpho didius бабочка с радужной окраской и SEM-микрофотография её крыла, как пример дифракционной биологической микроструктуры. [1]
Рисунок 2. Переливающийся натуральный опал (полудрагоценный камень) и SEM-изображение его микроструктуры, состоящей из плотноупакованных сфер диоксида кремния. [1]
Рисунок 3.Схематическое представление одно- (слева), дву-(в центре) и трёхмерного (справа) фотонных кристаллов. [5]
Рисунок 4. Брэгговская дифракция электронов в 1D атомных кристаллах и фотонов в 1D фотонной решётке. Светлые зоны – диапазоны частот электронов и фотонов, при которых эти частицы не могут распространяться через кристалл из-за когерентной дифракции. [1]
Рисунок 5. Фотонная решётка в реальном пространстве и плотность состояний фотонов в обратном пространстве для 1D, 2D и 3D фотонных кристаллов. Области, окрашенные в серый цвет, представляют собой направления, вдоль которых распространение фотонов запрещено из-за фотонной запрещённой зоны. [1]
Рисунок 6. Точечный и линейный (дислокация) дефекты – два основных типа дефектов в фотонных кристаллах. [1]
Рисунок 7. Футуристическое представление полностью оптического чипа, составленного из различных типов фотонных кристаллов и других оптических элементов. [4]

Фотонные кристаллы для чайников

Ключевые слова:  наноазбука, периодика, фотоника, фотонные кристаллы

Автор(ы): Смирнов Евгений Алексеевич

Опубликовал(а):  Смирнов Евгений Алексеевич

17 октября 2009

Я не могу претендовать на то, чтобы беспристрастно судить о цветах. Я радуюсь сверкающим оттенкам и искренне сожалею о скудных коричневых цветах. (Сэр Уинстон Черчилль).

Происхождение фотонных кристаллов

Смотря на крылья бабочки или перламутровое покрытие раковин (Рисунок 1), удивляешься тому, как Природа – пусть даже за многие сотни тысяч или миллионы лет – смогла создать столь удивительные биоструктуры. Однако не только в биомире существуют подобные структуры с переливчатой окраской, являющиеся примером практически безграничных созидательных возможностей Природы. Например, полудрагоценный камень опал очаровывал людей с самых древних времён своим блеском (Рисунок 2).

Сегодня каждый девятиклассник знает, что не только процессы поглощения и отражения света приводят к тому, что мы называем цветовой окраской мира, но также процессы дифракции и интерференции. Дифракционные решётки, которые мы можем встретить в природе, представляют собой структуры с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью, при этом их период соизмерим с длинной волны света (Рисунок 3). Это могут быть 1Dрешётки, как в перламутровом покрытии раковин моллюсков таких, как галиотисы, 2D решётки, подобные усикам морской мыши, многощетинкового червя, и 3D решётки, которые придают радужную голубую окраску бабочкам из Перу, равно как и опалу. [1]

В данном случае Природа, как, несомненно, самый опытный химик-материаловед, подталкивает нас к следующему выходу: трёхмерные оптические дифракционные решётки могут быть синтезированы путём создания диэлектрических решёток, которые геометрически комплементарны друг другу, т.е. одна является инверсионной по отношению к другой. А с тех пор как Жан-Мари Лен произнёс известную фразу: «Если что-то существует, то это может быть синтезировано», – мы просто обязаны реализовать данный вывод на практике. [1]

Фотонные полупроводники и фотонная запрещённая зона

Итак, в простой формулировке фотонным кристаллом называется материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях [2], что приводит к образованию фотонной запрещённой зоны. Обычно, чтобы понять смысл терминов «фотонный кристалл» и «фотонная запрещённая зона», такой материал рассматривают в качестве оптической аналогии полупроводникам. Решение уравнений Максвелла для распространения света в диэлектрической решётке показывает, что из-за Брегговской дифракции распределение фотонов по частотам ω(k) в зависимости от волнового вектора k (2π/λ) будет иметь области разрыва. Данное утверждение графически представлено на Рисунке 4, где приведена аналогия между распространением электрона в 1D кристаллической решётке и фотоном в 1D фотонной решётке. Непрерывная плотность состояний, как свободного электрона, так и фотона в вакууме, претерпевают разрыв внутри, соответственно, кристаллической и фотонной решёток в так называемых «стоп-зонах» при значении волнового вектора k (т.е. импульса), который соответствует стоячей волне. Это и является условием Брэгговской дифракции электрона и фотона. [1]

Фотонная запрещенная зона представляет собой диапазон частот ω(k) в обратном пространстве волновых векторов k, где распространение света определённой частоты (или длины волны) запрещено в фотонном кристалле во всех направлениях, при этом падающий на фотонный кристалл свет полностью отражается от него. Если же свет «возникнет» внутри фотонного кристалла, то он окажется «вмороженным» в него. Сама зона может быть неполной, так называемой стоп-зоной. На рисунке 5 представлены 1D, 2D и 3D фотонные кристаллы в реальном пространстве и плотность состояний фотонов в обратном пространстве.

Фотонная запрещённая зона трёхмерного фотонного кристалла является некоторой аналогией электронной запрещённой зоны в кристалле кремния. Следовательно, фотонная запрещённая зона «управляет» потоком света в кремниевом фотонном кристалле аналогично тому, как происходит транспорт носителей заряда в кристалле кремния. В этих двух случаях образование запрещённой зоны обуславливается стоячими волнами фотонов или электронов, соответственно.

Сделай фотонный кристалл сам

Как ни странно, но Максвелловские уравнения для фотонных кристаллов не чувствительны к масштабированию, в отличие от уравнения Шрёдингера в случае электронных кристаллов. Это возникает вследствие того, что длина волны электрона в «нормальном» кристалле более-менее зафиксирована на уровне в несколько ангстрем, тогда как размерная шкала длины волны света в фотонных кристаллах может быть варьироваться от ультрафиолета до микроволнового излучения, исключительно за счёт изменения размерности компонент фотонной решётки. [1] Это приводит к поистине неисчерпаемым возможностям для тонкой настройки свойств фотонного кристалла.

В настоящее время существует множество методов изготовления фотонных кристаллов Некоторые из них больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов, другие удобны в отношении двумерных, третьи применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам, четвёртые используются при изготовлении фотонных кристаллов на других оптических устройствах и т. д.[2] Однако не всё ограничивается только варьированием размерности структурных элементов. Фотонные кристаллы можно также создавать за счёт оптической нелинейности, перехода метал-неметалл, жидкокристаллического состояния, ферроэлектрического двойного лучепреломления, набухания и сжатия полимерных гелей и так далее, главное, чтобы изменился показатель преломления. [1]

Куда же без дефектов?!

В мире практически не существует материалов, в которых не было бы дефектов, и это хорошо. Именно дефекты в твердофазных материалах в большей степени, чем сама кристаллическая структура, влияют на различные свойства материалов и, в конечном счёте, их функциональные характеристики, а также возможные области применения. Аналогичное утверждение верно и в случае фотонных кристаллов. [1] Из теоретического рассмотрения следует, что введение дефектов (точечных, протяженных – дислокаций – или изгиба) на микроуровне в идеальную фотонную решётку, позволяет создать внутри фотонной запрещённой зоны определённые состояния, на которых может быть локализован свет, а распространение света может быть ограничено или наоборот усилено вдоль и вокруг очень маленького волновода (Рисунок 6). Если проводить аналогию с полупроводниками, то эти состояния напоминают примесные уровни в полупроводниках. Фотонные кристаллы с такой «управляемой дефектностью» могут применяться при создании полностью оптических устройств и схем нового поколения оптических телекоммуникационных технологий.

Светоинформатика

На рисунке 7 представлено одно из футуристических изображений полностью светового чипа будущего, что, несомненно, уже целое десятилетие будоражит воображение химиков, физиков и материаловедов. Полностью оптический чип состоит из интегрированных микроразмерных фотонных кристаллов с 1D, 2D и 3D периодичностью, которые могут играть роль переключателей, фильтров, низкопороговых лазеров и т.д., тогда как свет передаётся между ними по волноводам исключительно за счёт дефектности структуры. [1] И хотя тема фотонных кристаллов существует в «дорожных картах» развития фотонных технологий, исследования и практическое применение этих материалов всё ещё остаются на самых ранних стадиях своего развития. Это тема будущих открытий, которые могут привести к созданию полностью световых сверхбыстрых компьютеров, а также квантовых компьютеров. [5] Однако для того, чтобы мечты фантастов и многих учёных, посвятивших свою жизнь изучению столь интересных и практически значимых материалов, как фотонные кристаллы, стали явью требуется ответить на ряд вопросов. Например, таких как: что необходимо изменить в самих материалах, чтобы решить проблему, связанную с уменьшением таких интегрированных чипов из микроразмерных фотонных кристаллов для широкого применения на практике? Возможно ли с помощью микроконструирования («сверху-вниз»), или самосброки («снизу-вверх»), или же какого-либо сплава этих двух методов (например, направленной самосборки) реализовать в промышленных масштабах производство чипов из микроразмерных фотонных кристаллов? Является ли наука о компьютерах на основе световых чипов из микрофотонных кристаллов реальностью или всё же это вымысел футуристов? [1]

Литература

  1. Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, Geoffrey A. Ozin et al., The Royal Society of Chemistry, 2009 (основной источник, местами специфическая эмоциональная окраска этого источника передалась переводу)
  2. Википедия
  3. Моделирование
  4. Жр-л Натура
  5. Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова, Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009(статьи А.С.Синицкого по фотонике и фотонным кристаллам)

Автор фотографии на главной странице - А.С.Синицкий


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 7.9 (голосов 10)

 


Комментарии
ну Синицкого можно было и в выпускники ФНМ записать
Любезнейший, Пастух Евграфович,
разрешите спросить в свете Вашего последнего комментария: Вы, как "продвинутый парень", с творчеством Пелевина хорошо знакомы?
Пастух Евграфович, 21 октября 2009 16:18 
Китаев Владимир Владимирович: знаком, в его стиле и хотел посердить залетевшее от погоды унылое настроение, конечно, "движущей силой развития является творческая элита, отвечающая на различные исторические "вызовы" и увлекающая за собой "инертное большинство"! Осталось огласить список признаков: 1) спокойные, не "взбрыкивающие вдруг" люди...
Коваленко Артём, 21 октября 2009 17:03 
Интересно, а какое механическое поле напряжений создают вокруг себя дефекты в фотонных кристаллах?
Ведь силы, держащие такой кристалл - ван-дер-вальсовы, если я не ошибаюсь? То есть намного более слабые, чем в ковалентных кристаллах типа алмаза или цинковой обманки.
То есть вопрос: насколько все-таки похожи дефекты в ФК и электронных кристаллах?
Мне тоже хотелось бы узнать ответы на вопросы Артёма. Пожалуйста, кто-нибудь ответьте или подскажите ссылку, где об этом можно почитать.
Да, вопросы очень хорошие, но много слоев ответа (матрешка этакая) главным образом в силу ограничений используемых сравнений.

Чтобы совсем все не запутать, ограничимся коллоидными фотонными кристаллами (как направлением, поднятом на ФНМ руками Александра Синицкого).

Действительно, в "собранном" коллоидном фотонном кристаллы - силы взаимодействия слабые, в основном дисперсионные; и дефекты (особенно точечные) не создают сколь-либо заметных механических напряжений по сравнению с полупроводниковыми кристаллами, где присутствие дефектов подразумевает разрыв реальных химических связей с соответствующей значительной потерей энергии.

То есть коллоидный кристалл слаб и легко рассыпается, как кучка песка.

Как решить проблему песка для постройки "калачиков-куличиков"* знает каждый ребенок - нужно песок немного намочить.
Ученые - они "как дети"*, и суть в том, что капиллярные силы играют значительную роль для стабилизации, а самое главное для сборки (самосборки) хороших коллоидных кристаллов наряду с силами электростатического (ну или стерического) отталкивания (чтобы раньше времени все не слиплось хаотически).
Поскольку мы уже немного отклонились - вот замечательная ссылка на тему капиллярных сил: Kralchevsky, P. A.; Denkov, N. D. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2001, 6, 383.

Но самое, пожалуй, важное, что фотоны не имеют заряда и взаимодействуют с материей достаточно слабо (в отличии от электронов), и механическое напряжение практически не играет никакой роли для свойств фотонного кристалла - важны только диэлектрические проницаемости и их правильная модуляция.

В этом и привлекательность фотонных кристаллов, и поэтому мечта о фотонных чипах и компьютерах, отображенная на последней исторической картинке "Joannopoulo-polis-а", все еще жива.

* Цитаты (и аллюзии) из серии замечательных мультфильмов "Гора Самоцветов"
Пастух Евграфович,
Подразумевался отнюдь не комплимент, и завершим на этом...
Спасибо, Владимир Владимирович!
А если дефект нарушает периодичность изменения диэлектрической проницаемости, то как такой кристалл будет работать? Будет пропускать несколько разных цветов?

Пошла смотреть мультфильмы "Гора Самоцветов"
Елизавета Александровна,
Да замечательно, если ответ что-то прояснил
Вкратце: да, дефекты вызывают изменение частот пропускания/отражения. Чаще всего это наблюдается как дополнительные разрешенные частоты (уровни энергии) в запрещенной зоне.
Александр намного бы лучше смог ответить на этот вопрос, я не шибко эксперт в теме дефектов.
Да замечательно, если ответ что-то прояснил
Владимир Владимирович, спасибо! Да, Ваш ответ помог ... Особенно сравнение с куличиками очень понравилось
Владимир Владимирович, спасибо...а то у меня всё руки не доходили написать здесь...
Ждём продолжения дискуссии. Нам, школьникам, интересно.
Продолжение дисскусии смотрите во второй части опуса, посвященного микросферам...
Вот я прибежал с другой страницы.Прочитал.Что понял-что нет.Все равно полезно.А где вторая часть опуса.?
http://www.nanometer.ru/2009/11/01/titani um_dioxide_157868.html#comment_id_28909
Википедия в списке ссылок... Н-да... нанотехнологии перестают быть уделом сверхобразованных людей. Помните, как у Ленина: "Любая кухарка может управлять государством"
А чем собственно не нравится вики?!
там вроде нормально всё написано...Сама идея вики правильная, только реализация её в России хромает очень: писать некому...
Dopler, 28 ноября 2012 07:09 
В Вики, в каждой статье, имеется список источников. Что бы не смущались Шабановы и иже с ним, можно использовать их. Правда, желательно все же проверить их на соответствие, весьма пользительно )

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Микрофазовое разделение в блок-сополимерах
Микрофазовое разделение в блок-сополимерах

НАНОГРАД. СИРИУС. 2017
Молодежный форум Наноград-2017 пройдет в Образовательном центре «Сириус»

Визит Президента ИЮПАК в Образовательный центр "Сириус"
22 июля состоялся визит Президента Международного Союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), члена - корреспондента РАН, директора Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ имени Д.И.Менделеева, профессора Н.П.Тарасовой в Образовательный центр "Сириус", в ходе которого всемирно известный ученый выступила перед школьниками направлений "Нанотехнологии", "Новые материалы", "Микромир и микроскопия", "Агропромышленные и биотехнологии", "Беспилотный транспорт и логистические системы" с публичной лекцией "Устойчивое развитие: планетарные границы и зеленая химия".

Фестиваль проектов Образовательного центра "Сириус": красивый эксперимент
21 июля 2017 года впервые состоялся грандиозный Фестиваль - выставка школьных проектов, разработанных в рамках Образовательной программы "Большие вызовы", на котором было представлено свыше 80 работ по 12 тематическим направлениям. В ходе Фестиваля в рамках нового формата общения около 800 школьников и 100 экспертов обсуждали у стендов результаты работы проектных команд. Завершился Фестиваль встречей и "Недетским разговором" с Президентом Российской Федерации В.В.Путиным.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.