microsisteme electromecanice (mems) cristale...
TRANSCRIPT
CRISTALE FOTONICE
Microsisteme electromecanice
(MEMS)
Cristale fotonice
Student: Ioniceanu Bogdan-Alexandru
GRUPA:56RC
CRISTALE FOTONICE
Introducere.
Lumina influenţează vieţile noastre de zi cu zi în diverse moduri,acest lucru
era greu de imaginat cu câteva decenii în urmă,dar lumina va juca un rol
semnificativ în viitor, uşurând calea spre progrese în comunicaţiile prin fibră
optică, în noi modalităţi de a practica medicina, biotehnologia, detecţia optică .
Fotonica a devenit un domeniu important atât pentru ştiinţă cât şi pentru
tehnologie,cuprinzănd fenomenele fizice şi tehnologiile asociate generării,
transmisiei,manipulării, detectării şi utilizării luminii. Datorită dezvoltării continue
a unor domenii cum ar finanotehnologia, ştiinţa materialelor, optica, etc., precum şi
datorită dezvoltării rapide a tehnicilor de fabricare la scară micro/nano.
Intr-o definiţie generală, cristalele fotonice cuprind structurile care au
constanta dielectrică periodică in una, două sau trei dimensiuni, şi prezintă bandă
interzisă. Această deosebire„geometrică”, combinată cu o varietate de materiale
folosite implică un domeniu larg de metode de fabricare şi proceduri, care au
tendinţa de a fi specifice pentru fiecare material in parte, depinzand insă şi de
natura structurii ce urmează a fi fabricată.
Istoric.
Începând cu anul 1970 numarul componentelor electronice care pot fi
încapsulate într-un microcip s-a dublat la fiecare 18 luni, conducand calculatoarele
spre viteză dublă. În acești ani s-a pus întrebarea dacă sistemele de calcul care
lucrau la o frecvență de 1 GhZ puteau evolua spre frecvențe mai mari.Răspunsul
CRISTALE FOTONICE
nu a întarziat în momentul când s-a făcut migrarea transmiterii semnalului prin
unda luminoasă și nu prin electroni,lucru care a făcut posibilă realizarea de
computere care lucrează la sute de terahertz,acest procedeu este posibil cu ajutorul
structurilor fotonice.
Prima structură cristalină fotonică a fost realizată prima dată în 1987 de către
Eli Yablonovitch, la Institutul de cercetări în Comunicatii Bell, din New Jersey.
Căţiva ani mai târziu în 1991, Yablonovitch şi colaboratorii săi au produs primul
cristal fotonic realizând manual găuri cu un diametru de ordin mm într-un bloc de
material cu indicele de refracţie de 3.6
Materialul cunoscut şi sub numele de „yablonovit‟, opreşte propagarea
microundelor în orice direcţie – cu alte cuvinte, formează o bandă fotonică
interzisă tri- dimensională. Alte structuri care au benzi interzise în domeniul
microundelor şi al frecvenţelor radio sunt utilizate în mod curent pentru a obţine
antene care emit direct spre utilizatorii de telefoane mobile.
Pentru a crea cristale fotonice pentru echipamente optice, avem nevoie să
folosim tehnici foarte performante de microfabricaţie a semiconductorilor cu un
cost de producţie ridicat. Din acest motiv modelarea pe calculator a structurilor
fotonice cristaline rămâne un domeniu foarte important al cercetării, pentru a
preântampina erorile ulterioare de fabricaţie care sunt foarte scumpe.
Descriere.
Cristalele fotonice (cunoscute şi ca materiale cu benzi interzise, photonic band
gap materials) sunt structuri periodice, având periodicitatea de ordinul lungimii de
undă a undei electromagnetice (fig.1), care au o bandă interzisă ce blochează
CRISTALE FOTONICE
propagarea luminii într-un anumit domeniu de frecvenţă. Această proprietate ne
permite să controlăm lumina şi efectele produse, care altfel ar fi foarte greu de
controlat cu optica convenţională. Comportarea cristalelor fotonice este descrisă de
ecuaţiile lui Maxwell. Aceste cristale expuse la lumina alba devin colorate, fapt
care nu se datoreaza absorbtiei luminii, nici nu este cauzata de pigmenti, ci este un
fel de “culoare fizica”.
Fig.1 Regimurile de operare ale tehnologiilor
CRISTALE FOTONICE
Atomii sau moleculele sunt inlocuiţi prin medii macroscopice avand
constante dielectrice diferite, iar potenţialul periodic este inlocuit de o funcţie
dielectrică periodică (mai exact avem un indice de refracţie periodic). Dacă
constantele dielectrice ale materialelor sunt suficient de diferite şi dacă absorbţia
luminii de către materiale este minimă, atunci interferenţa intre undele transmise şi
reflectate la diverse interfeţe generează benzi permise şi interzise pentru fotoni,
analoage benzilor energetice pentru electroni. Pentru formarea benzilor fotonice
este necesar ca periodicitatea spaţială a cristalului fotonic să fie de ordinul lungimii
de undă a luminii . Banda interzisă fotonică defineşte o serie de frecvenţe pentru
care lumina nu poate să se propage in cristal.
O consecinţă a structurii benzii de energie interzisă fotonică este
posibilitatea apropierii de zero a vitezei de grup, incetinind astfel lumina in
cristalul fotonic
Se pot proiecta şi fabrica cristale fotonice prezentand defecte punctiforme
sau liniare şi cu benzi interzise fotonice pentru anumite intervale de frecvenţe. De
exemplu, ghidurile de undă metalice şi cavităţile sunt folosite pentru controlul
Fig.2 Drumul undei electromagnetice cu lungimea λ printr-o
structură periodică având constanta rețelei egală cu a
CRISTALE FOTONICE
propagării microundelor, dirijand şi respective confinand campul electromagnetic.
În acelaşi mod, acelaşi tip de defecte realizate in structuri periodice ne oferă
posibilitatea controlului undelor electromagnetice din domeniul infraroşu sau
vizibil. Se pot fabrica cristale fotonice de o anumită geometrie şi cu dimensiuni de
ordinul milimetrilor pentru controlul microundelor, sau de ordinul micronilor
pentru controlul radiaţiei din infraroşu.
A trebuit să mai treacă un deceniu pentru a fabrica cristale fotonice care
lucrează în domeniul infraroşu – apropiat (780 – 3000 nm) şi în domeniul vizibil
(450 – 750 nm). Principala provocare a fost găsirea materialelor şi a tehnicilor de
procesare potrivite pentru a fabrica structuri care sunt de aproape 1000 de ori mai
mici decât cristalele fotonice pentru microunde. O estimare riguroasă a spaţiului
dintre găurile de aer (sau dimensiunea reţelei) este dată de lungimea de undă a
luminii imparţită la indicele de refracţie al materialului dielectric. Problema în
obţinerea structurilor mici este compoziţia materialului, pentru că este mai bine
pentru o bandă fotonică interzisă să se formeze în dielectrici cu indice de refracţie
mare, care reduc semnificativ dimensiunea spaţiului dintre punctele reţelei. De
exemplu, presupunem că dorim să creăm un cristal fotonic care poate radia în IR
apropiat cu lungimea de unda de 1 μm într-un material cu indicele de refracţie 3.0.
Am avea de creat o structură în care golurile de aer să fie separate la distanţa de 0.3
μm – ceva extrem de greu de realizat. Dacă scara ar fi de 1000 de ori mai mică, am
putea construi o structură de tip atom-la-atom folosind o reacţie chimică; dar dacă
scara ar fi de 1000 de ori mai mare putem construi mecanic acea structură, conform
afirmaţiilor lui Yablonovitch şi a colaboratorilor săi.
Tipuri de cristale.
CRISTALE FOTONICE
Cristalele fotonice sunt impărţite după periodicitatea straturilor periodice din
care sunt alcătuite in: uni-, bi- şi tri-dimensionale , aşa cum se observă in figură .
Cel mai simplu cristal fotonic este cristalul unidimensional (1-D) , format din două
materiale care alternează periodic pe o direcţie. In mod similar, intr-un cristal
fotonic bidimensional constantele dielectrice alternează pe două direcţii, in timp ce
cristalul fotonic tri-dimensional oferă un control complet al radiaţiei
electromagnetice, datorită periodicităţii pe toate cele trei direcţii.
Cristale fotonice unidimensionale.
CRISTALE FOTONICE
În cazul în care mediul stratificat constă din straturi subţiri alternante, având
valori diferite ale indicilor de refracţie, unde axa x este normală la interfaţă şi L
este perioada, distribuţia câmpului electric, respectv magnetic, pentru o undă care
se propagă în planul x-z poate fi scrisă (Teorema Floquet):
unde:
- β este constanta de propagare pe direcţia z, care ia valori pozitive dacă unda
electromagnetică se propagă de-a lungul direcţiei z pozitive, şi valori negative dacă
unda electromagnetică se propagă în sens opus ;
Porțiune dintr-un mediu periodic stratificat
Relația de dispersie a unui cristal fotonic unidimensional:
CRISTALE FOTONICE
Ecuația are soluții k0,k1,k2….kn dacă modulul parții drepte a ecuației este
mai mic sau egal cu 1 și nu are soluții. Apariția intervalelor de frecvențe permise si
interzise în structuri periodice stă la baza cristalelor fotonice și a dispozitivelor
bazate pe aceasta.
O unda incidentă în contact cu un material cu banda interzisă se reflectă
parțial pe fiecare subsrat al structurii. Undele reflectate sunt in fază . Undele
reflectate se unesc cu unda incidentă și produc o undă care nu trece prin material.
Pentru o undă aflată în afara benzi interzise, undele reflectate nu sunt în fază și se
anulează una pe cealaltă ,lumina se propagă prin material doar ușor atenuată.
CRISTALE FOTONICE
Cristale fotonice bi-dimensionale
Cristalele fotonice bidimensionale sunt structuri periodice pe două direcţii şi
omogene pe acea de-a treia direcţie . Tratarea teoretică se bazează, ca şi încazul, pe
ecuaţiile lui Maxwell. Mai mult, ecuaţiile valorilor proprii pot fi mult simplificate
dacă se consideră că vectorul de undă kr este paralel faţă de planul bidimensional.
În acest caz, structura dielectrică este uniformă pe direcţia z.
Pentru a putea confina lumina care se propagă într-un cristal fotonic bi-
dimensional în trei dimensiuni, se fabrică un cristal fotonic bidimensional cu
înălţime finită, numit „bloc cristalin fotonic” (photonic crystal slab). O astfel de
structură poate confina lumina vertical în interiorul blocului prin intermediul
mecanismului reflexiei totale interne, cunoscut sub numele de „index guiding” . În
acest caz, apar doi parametrii care influenţează existenţa benzii fotonice interzise:
1) structura trebuie să prezinte simetrie de tip „oglindă” astfel încât modurile
TE şi TM să poată fi considerate separat;
2) înălţimea blocului nu trebuie să fie prea mică (modurile vor fi slab
confinate), înălţimea ideală fiind la jumătate din lungimea de undă.
CRISTALE FOTONICE
Cristale fotonice tri-dimensionale
Cristalul fotonic tridimensional este obţinut printr-o singură procedură de
decapare electrochimică. Cristalul fotonic tridimensional de tip opal, cu câteva sute
de micrometri grosime, este creat cu metoda depunerii vertical(încălzire cu o viteză
de creştere a temperaturii de 2°C / minut) a sferelor de polistiren cu diametrul de
220 nm.
A fost realizat în laboratorul de Cercetări de Fizică Aplicată din Budapesta
în cadrul unui program de parteneriat cu această Instituţie. Prin examinarea
detaliată ale mostrelor, cu microscop optic, în lumină reflectată şi în lumină
refractată am observat prezenţa poluării şi o ordonare în structura cristalului.
Modul producerii nanostructurilor este construcţia de tip auto-organizator, adică
fără intervenţia omului. Acest proces deosebit stă la baza unor cercetări teoretice şi
la modelarea digitală a acestora.
CRISTALE FOTONICE
Structuri ale cristalelor fotonice tri-dimensionale:
- sfere intr-o rețea de diamante: sferele dielectrice aranjate in rețea de
diamante au dus la formarea primului cristal fotonic cu o bandă interzisă completă.
Acesta a fost descoperit cand s-au introdus sfere în plus (roșu) în centrul cubului
rețelei.
- Yablonovite
CRISTALE FOTONICE
- Woodpile
Metode de obținere.
Tehnica de litografie.
Conceptul de fotolitografie apare pentru prima dată in literatura de
specialitate in secolul al 17-lea, fiind utilizat in aplicaţii de imprimare cu cerneală.
Cu toate că tehnicile şi aplicaţiile litografiei sau diversificat odată cu trecerea
anilor, definiţia acesteia a rămas aceeaşi: „litografia constituie procesul de transfer
al unei structuri dintr-un mediu in altul” . In funcţie de rezultatul dorit,litografierea
se realizează prin tehnici diferite ce pot fi clasificate in funcţie de echipament,
natură şi agent, care induc procesul, fenomenul, interacţia sau reacţia care are loc.
Una dintre tehnicile cele mai folosite este litografia cu fascicul electronic
(EBL), regăsindu-se in literatura de specialitate incă de la sfarşitul anilor 60.Cel
mai bun argument pentru folosirea acesteia versus fotolitografie este acela că
fenomenul de difracţie este mult mai puţin semnificativ.
CRISTALE FOTONICE
Principalele atribute ale litografiei cu fascicul electronic sunt:
• rezoluţie inaltă;
• este o tehnică flexibilă care poate fi folosită in realizarea unor multitudini de
structuri pe o gamă largă de materiale;
• este o tehnică înceată comparativ cu fotolitografia;
• este o tehnică scumpă şi complicată – echipamentele putând ajunge la un preţ de
cumpărare de mai multe milioane de dolari, precum şi datorită necesităţii
intreţinerii permanente.
Microscop electronic de baleiaj JEOL JSM 6390A echipat cu modul de
litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2.
CRISTALE FOTONICE
Aplicații ale cristalelor fotonice.
1.Cristalele fotonice pot fi utilizate pentru a proiecta o oglindă care reflectă
sub orice unghi o lungime de undă selectată a luminii. În plus, ele pot fi integrate
într-un strat fotoemiţător pentru a crea un LED care emite lumina la o lungime de
undă şi într-o direcţie date.
2.Utilizarea cristalelor fotonice in luarea amprentelor, spun cercetatorii,
determina o acuratete mai ridicata a datelor obtinute, deoarece permite
identificarea nu doar a amprentei propriu-zise ci si a formei degetelor. Când
cristalul fotonic este supus presiunii, spațiile din structura lui se reduc, modificând
lungimea luminii reflectate. Astfel culoarea se schimbă gradual pe masură ce se
apasă, de la roșu, portocaliu, galben,verde,albastru.
3. In 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice au dus la dezvoltarea
fibrei optice cu cristal fotonic care ghidează lumina prin difracție într-o structură
periodică, și nu prin reflexie internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit
disponibilă pe piață în 2000. Fibra din cristal fotonic poate fi proiectată să transfere
putere mai multă decât fibra convențională, iar proprietățile dependente de
lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăți performanțele fibrei în
anumite aplicații.
4.Alte aplicații:
LASERUL nanoscopic
Antenele RF
Pigmentul ultra-alb
Circuitele integrate fotonice
CRISTALE FOTONICE
Concluzii.
Provocările domeniului optică-fotoniăa în viitorul apropiat include găsirea
de noi materiale pentru laseri,optica nelineară,fosfori,scintilatori,o cunoaștere mai
bună a fenomenelor noi care apar la interacțiunea pulsurilor laser de mare
intensitate cu materia,studierea de noi procese optice la nivel micro si nano,
dezoltarea de aplicații in domeniile de perspectivă.Cercetarile de frontieră în
domeniul opticii și fotonicii includ materiale artificiale structurate cu proprietăți
optice proiectate,creșterea eficienței laserilor până la limita fenomenului
fizic,studiul cuplărilor exciton-poariton-fonon,bionanofotonica in materiale
organice si anorganice.
CRISTALE FOTONICE
Bibliografie
1. www.wikipedia.org
2. [Hiett 2002] Hiett, B. P., Photonic Crystal Modelling using Finite
Element Analysis, PhD Thesis, University of Southampton, Faculty of
Engineering and Applied Science, 2002
3. “Nanotehnoogia in scoala” 2012
4. “Optica si Fotonica” Prof. Dr. Tiberiu Tudor Universitatea Bucuresti
Facultatea de Fizica
5. “Photonic crystal: semiconductors of light” by Eli Yablonovitch