Искусственный опал
Впервые ученым удалось управлять распространением света в трех измерениях внутри фотонного кристалла без больших потерь рассеивания. Нанотехнологии и раньше демонстрировали различные нанофотонные «трюки», но этот эффект действительно интересен.
Это не значит, что ученые изобрели волноводы заново. Полученный ими эффект имеет косвенное отношение к традиционным оптическим волноводам. Даже как-то удивительно представлять себе кубик материала, с каналами внутри, по которым послушно распространяется свет, меняя направление иногда даже под прямым углом… За последние годы появилось множество концептуальных материалов, но при их изготовлении нужно использовать технологический процесс, который основывается на создании комплексной металлической наноструктуры, а это влечет за собой определенные сложности, таким образом запустить их в массовое производство очень сложно.
Фотонные кристаллы, в которых используются коэффициенты преломления в структуре, даже дают возможность лишь частично создавать невидимость для оптического спектра, поскольку материал может стать прозрачным только при определенной длине световой волны.
Поль Браун (Paul Braun) и его коллеги из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (University of Illinois at Urbana-Champaign) взяли за основу упорядоченный кубический фотонный кристалл размерами 100х100 нанометров. Плоские структуры, изменяющие направление света, уже изучены и, по словам Поля, не представляют интереса для ученых, поэтому было решено исследовать пространственные возможности управления световым лучом.
Фотонные кристаллы – идеальные кандидаты для компонентов лазеров, так как они имеют внешние дефекты, способствующие пропусканию только определенных частот световых волн.
Рис. 1. Вот такой извилистый путь должен проходить свет внутри фотонного кристалла
Самым большим достижением Поль считает управление за структурой дефектов фотонного кристалла при его изготовлении. На этот раз ученые изготовили фотонный кристалл методом самосборки, что проще и быстрее, а, главное, – дешевле литографических методов. Правда, ученым еще нужно разработать способ расположения дефектов в любых местах фотонного кристалла.
В первую очередь, ученые сформировали из наносфер кварца матрицу искусственного опала методом вертикального наслоения. Искусственный опал – это кристалл, обладающий высоким коэффициентом отражения, а его кремниевая структура включает в себя воздушные полости, благодаря чему и достигаются подобные свойства.
Метод его производства заключается в наслоении наносфер на субстрат при испарении их коллоидной суспензии. После формирования матрицы на нее нанесли покрытие из смолянистого материала для того, чтобы упорядочить структуру опала для дальнейшей полимеризации.
Для того, чтобы достичь нужной точности формирования искусственного опала, ученые использовали метод двухфотонной полимеризации (two-photon polymerization – TPP). Этот метод производства предусматривает «обстреливание» смолоподобного материала двумя фотонами с идентичными частотами и энергиями, в результате чего смола полимеризуется в прочную прозрачную пленку.
Рис. 2. Структура фотонного кристалла с 3D каналами
При этом вся основная масса кристалла формируется методом самосборки, а через ТРР ученые определяют структуру канала-волновода, по которому в дальнейшем будет искривляться свет. Поэтому им нет необходимости следить за производством кристалла в целом.
Как только структура искусственного опала с дефектами сформирована, необходимо нанести тонкий слой аморфного кремния методом парового осаждения и, после его формирования, травлением убираются лишние остатки субстрата.
Браун и его коллеги говорят, что полученный 3D фотонный кристалл представляет интерес не только для зрелищного эффекта искривления света, но и будет полезен в производстве лазерной техники.
Как говорят ученые, лазер может быть сформирован практически в любом направлении и может работать на низких напряжениях, а это существенное нововведение в использовании фотонных кристаллов.
