ВЫПОЛНИЛА ,
СТУДЕНТКА 4 КУРСА
ГРУППЫ Ф-102(2)
САМСОНОВА Т.С.
Понятие разрешенных и запрещенных энергетических зон - один из столпов твердотельной электроники. В оптике твердого тела схожее понятие появилось лишь в 1987 году, когда Эли Яблонович (Eli Yablonovitch), сотрудник Bell Communications Research (ныне профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе), ввел понятие запрещенной зоны для электромагнитных волн (electromagnetic band gap). Вскоре «фотонный кристалл» (photonic crystal) и «фотонная запрещенная зона» (photonic band gap, PBG) стали ключевыми терминами новейшего направления современной оптики.
Фото бабочки Papilio ulysses, крылья которой являются природным фотонным кристаллом.
С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой (crystal superlattice) - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно). Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света. Поэтому такие решетки и получили особое название - фотонные кристаллы.
Несмотря на то что идея фотонных зон и фотонных кристаллов утвердилась в оптике лишь за последние несколько лет, свойства структур со слоистым изменением коэффициента преломления давно известны физикам. Одним из первых практически важных применений таких структур стало изготовление диэлектрических покрытий с уникальными оптическими характеристиками, применяемых для создания высокоэффективных оптических спектральных фильтров и снижения нежелательного отражения от оптических элементов (такая оптика получила названиепросветленной) и диэлектрических зеркал с коэффициентом отражения, близким к 100%. В качестве другого хорошо известного примера 1D-фотонных структур можно упомянуть полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, а также оптические волноводы с периодической продольной модуляцией физических параметров (профиля или коэффициента преломления).
Наконец, обычные штриховые дифракционные решетки - это тоже пример 1D-фотонных структур: по аналогии с ними фотонные кристаллы называют иногда трехмерными дифракционными решетками. Распространение излучения в таких решетках определяется условием максимума интерференции света, рассеянного на узлах, и зависит от угла между направлением волнового вектора и осями дифракционной решетки - фотонного кристалла.
На рис. 1 схематично показано явление дифракции лучей света на периодических структурах различной размерности. При рассеянии фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено. Для одномерного кристалла - нити (а), такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае (б) - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей.
|
|
|
Трехмерный случай в принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.
Исторически сложилось так, что теория рассеяния фотонов на трехмерных решетках начала интенсивно развиваться с области длин волн ~0,01-1 нм, лежащих в рентгеновском диапазоне, где узлами фотонного кристалла являются сами атомы. А вот в СВЧ-области радиодиапазона кристаллические решетки для фотонов можно в буквальном смысле слова собирать руками из объектов макроскопического размера, например - проволочек и теннисных шариков: первый фотонный кристалл был создан Яблоновичем в 1990 году именно для работы в СВЧ-диапазоне фрезеровкой куска пластмассы размером в несколько сантиметров (кстати, к тому же классу физических объектов можно отнести и фазированные антенные решетки).
Фотонные кристаллы имеют много общего с другим интересным физическим объектом - квантовыми кристаллами. Последние характеризуются тем, что амплитуда нулевых колебаний их частиц по порядку величины сравнима с периодом кристаллической решетки, и становятся существенными явления туннелирования и интерференции. Причем, если первоначально к квантовым кристаллам относили лишь структуры, построенные из частиц одного сорта, например, кристаллы изотопа гелия-3, существовавшие только при сверхнизких температурах, то в дальнейшем выяснилось, что аналогичными свойствами обладают кристаллы, содержащие растворенный водород, электроны, а также квазичастицы - экситоны, дефектоны и др. При этом по отношению к одним частицам кристалл может являться квантовым, а по отношению к другим - обычным, классическим.
Физический механизм образования фотонных запрещенных зон в кристаллах такой же, как и для электронов в диэлектриках или полупроводниках. В его основе лежит явление распространения волны в среде с периодическим полем (см. врезку), а наиболее ярко квантовые свойства фотонных кристаллов проявляются тогда, когда фотонная запрещенная зона существенно перекрывает электронную запрещенную зону. Например, время жизни возбужденного атома, помещенного в такой кристалл, может быть увеличено во много раз.
Традиционно оптические и электрические среды рассматривались независимо друг от друга. Правда, полупроводниковые оптоэлектронные приборы уже требовали к себе особого внимания из-за необходимости совмещения условий проводимости электрического тока с возможностью распространения света.
Продолжая аналогию, фотонные кристаллы можно разделить на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники.
Фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами. Это прозрачные тела, в которых свет пробегает большое расстояние, практически не поглощаясь.
studfiles.net
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)
Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР)
Реферат на тему:
Фотонные кристаллы. Применение в СВЧ-диапазоне.
Выполнила студент гр.152:
Полонская Д.Л.
Томск, 2014-2015.
Оглавление 2
ВВЕДЕНИЕ. 3
1.ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЫ. 5
2. Обнаружение преимущества фотонных кристаллов в роли теплоизоляторов. 8
Заключение. 10
Список литературы. 11
В последние десятилетия интенсивно проводятся исследования свойств, так называемых, фотонных кристаллов, которые характеризуются наличием частотных зон разрешенных состояний (полос пропускания) и запрещенных зон (полос запирания). Свойства фотонных кристаллов связаны с периодическим расположением образующих их элементов. Это открывает новые возможности создания различного типа устройств, в которых используются свойства, характерные для фотонных кристаллов в различных частотных диапазонах. Нарушение периодичности в фотонном кристалле, например, вследствие наличия в нем одного из элементов с отличающимися от других свойствами приводит к появлению в полосе запирания частоты, на которой возможно прохождение волны со сравнительно низким затуханием. Такого типа фотонные кристаллы с использованием элементов на основе различных типов линий передачи созданы, в том числе, и для СВЧ диапазона.СВЧ фотонные кристаллы были использованы для создания высоконаправленных антенн, СВЧ-фильтров, улучшения характеристик СВЧ-детекторов, усилителей и т.д. Возможность рассчитывать характеристики фотонных кристаллов с точностью, позволяющей обеспечить хорошее совпадение с экспериментом, была использована для неразрушающего контроля структур с нанометровыми полупроводниковыми слоями. При этом контролируемые структуры являлись элементами, нарушающими периодичность фотонного кристалла. Высокая чувствительность СВЧ фотонного кристалла к характеристикам структуры была обусловлена тем, что нарушающая периодичность неоднородность приводила к появлению высокоселективного резонансного прохождения излучения через кристалл, сильно зависящего от параметров структуры. Недостатком измерительной системы с фотонным кристаллом является низкая локальность измерений, определяемая площадью поперечного сечения волновода. Этот недостаток отсутствует, если измерения проводить с использованием ближнеполевого сканирующего СВЧ-микроскопа. Такого рода измерительная система позволяет обеспечить высокую локальность, определяемую примерно удвоенной площадью кончика зонда, для повышения чувствительности соединенного с резонатором. Стоит отметить, что возможность использования в ближнеполевом сканирующем СВЧ-микроскопе в качестве высокоселективной системы СВЧ фотонного кристалла ранее не рассматривалась. Можно прогнозировать, что создание такого микроскопа, наряду с высокой локальностью измерений, позволит повысить его чувствительность при измерении слоев с толщинами в единицы нанометров и с малыми значениями диэлектрической проницаемости.
Фотонные кристаллы относятся к классу метаматериалов и представляют собой искусственно созданные периодические структуры с периодом, сравнимым с длиной распространяющегося в них электромагнитного излучения. Для этих структур свойственно периодическое изменение, как диэлектрической проницаемости слоев, так и их геометрических размеров. При взаимодействии электромагнитного излучения с такого рода структурами в спектрах отражения и прохождения наблюдается ярко выраженное чередование разрешенных и запрещенных для распространения электромагнитного излучения частотных диапазонов. По аналогии с реальными кристаллами, частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны, получила название фотонной запрещенной зоны. При внесении нарушения («неоднородности») в периодичность структуры фотонного кристалла, которое может быть представлено в виде изменения геометрических размеров и/или электрофизических параметров одного или нескольких слоев, в запрещенной зоне фотонного кристалла возникает резонансная особенность – узкое «окно прозрачности», также называемая «примесной модой колебаний». Положение и форма «окна прозрачности»определяется геометрией и электрофизическими параметрами вносимого нарушения периодичности.
Фотонный кристалл - это оптическая среда, в которой происходит периодическое изменение коэффициента преломления на масштабе, сопоставимом с длиной волны света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов
Ключевое требование к фотонным кристаллам – это периодичность структуры нанано(микро)уровне, которая обуславливает уникальные дифракционные свойства этих материалов. Практическое использование фотонных кристаллов должно привести к значительному повышению эффективности светодиодов и лазеров, созданию новых типов световых волноводов, оптических переключателей и фильтров с перспективой создания устройств цифровой вычислительной техники на основе фотонных элементов. На микрофотографии хорошо видны внутренние плоскости фотонного кристалла как с кубическим, так и гексагональным упорядочением. В «нанодоме» хорошо видны «наноокна» – незанятые позиции (вакансии) в упаковке микросфер.
Фотонные кристаллы – периодические структуры, использующиеся для изменения частоты света(а с недавних пор – ещё извука) в узком диапазоне. По расчётам специалистов, эти кристаллы также могут эффективно блокировать широкий спектр частот инфракрасного диапазона (иллюстрация Nature).
Физики из Стэнфорда (Stanford University) обнаружили что структуры, известные как фотонные кристаллы, способны блокировать тепловой поток даже более эффективно, чем вакуум.
В, опубликованной Physical Review, статье учёные представляют расчёты, показывающие, что теплопроводность образца, как ни странно, не зависит от толщины отдельных слоёв кристалла, а главное в статье – их показатели преломления.
Таким образом, при использовании 100-микрометровой полоски, состоящей из 10 слоёв кремния толщиной микрометр, перемежаемых с вакуумом, теплопередача через данный материал должна снизиться примерно вдвое по сравнению с использованием одного вакуума (в условиях комнатной температуры).
Поясним: горячий суп в термосе окружён вакуумом, заключённым между внутренней и внешней стенками, что препятствуют передаче тепла. Но суп остывает ещё и благодаря инфракрасному излучению (обычно с ним борются отражающим покрытием колбы). Фотонные кристаллы должны помочь разрешить эту проблему по-новому, с большей эффективностью. И хотя бытовые термосы прекрасно обойдутся без нанотехнологий, новая ипостась фотонных кристаллов пригодится в приборостроении и электронике. Нетривиальное применение фотонных кристаллов в последнее время всё более распространяется – не так давно мы рассказывали о том, как они помогают вырабатывать электричество и служат необычными украшениями.
Фото браслета с опалом. Опал представляет собой природный фотонный кристалл.
Таким образом можно с уверенностью сказать, что тема "фотонные кристалы, сфера их применения" ещё долго будет актуальна. Области применения фотонных кристалов с каждым днём расширяются.
Изучение свойств фотонных кристалов очень интересная тема, которая может быть взята для дипломных работ или научных дисертаций.
В настоящее время проводится ряд экспериментов в разных отраслях науки по изучению применения фотонных кристалов.
Данный реферат был написан с целью ознакомления с фотонными кристалами и их применения в СВЧ-диапазоне, путём обзора различных статей и научных работ.
1. http://www.membrana.ru/particle/14455
2. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/goodilin1/photo.pdf
3. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
"СТРУКТУРЫ С ФОТОННОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БЛИЖНЕПОЛЕВОЙ СВЧ-МИКРОСКОПИИ". (Фролов Александр Павлович, Саратов – 2014).
4. Автореферат. "Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков" (Куликов, Максим Юрьевич, Саратов, 2011год).
studfiles.net
Реферат
Изготовление фотонных кристаллов
Создание трехмерного фотонного кристалла в видимом интервале длин волн остается на протяжении последних десяти лет одной из главных задач материаловедения, для решения которой большинство исследователей сосредоточились на двух принципиально разных подходах: использование темплатных методов, создающих предпосылки для самоорганизации синтезируемых наносистем, и нанолитографии.
Среди первой группы методов наибольшее распространение получили такие, которые в качестве темплатов для создания твердых тел с периодической системой пор используют монодисперсные коллоидные сферы. Эти методы позволяют получить фотонные кристаллы на основе металлов, неметаллов, оксидов, полупроводников, полимеров, и т.д. Все указанные методы включают несколько общих этапов (рис. 22).
Рис. 22. Схема темплатного синтеза фотонных кристаллов
На первом этапе, близкие по размерам коллоидные сферы равномерно “упаковывают” в виде трехмерных (иногда двухмерных) каркасов, которые в дальнейшем выступают в качестве темплатов (рис. 22а). Для упорядочения сфер помимо естественного (спонтанного) осаждения используются центрифугирование, фильтрование с использованием мембран и электрофорез. При этом, в случае использования кварцевых сфер получающийся материал является синтетическим аналогом природного опала.
На втором этапе, пустоты в темплатной структуре пропитывают жидкостью, которая впоследствии при различных физико-химических воздействиях превращается в твердый каркас. Другими методами заполнения веществом пустот темплата являются либо электрохимические методы, либо метод CVD (рис. 22б).
На последнем этапе, темплат (коллоидные сферы) удаляют, используя в зависимости от его природы процессы растворения или термического разложения (рис. 22в). Получающиеся структуры часто называют обратными репликами исходных коллоидных кристаллов или “обратными опалами”.
Очевидно, что сферы, используемые в качестве темплатов для формирования пористых твердых тел, должны смачиваться наносимыми прекурсорами, а также должны быть легко удаляемы в условиях, при которых создаваемая каркасная структура не разрушается. Кроме того, чтобы конечный пористый материал обладал фотонными свойствами, сферы должны иметь узкое распределение по размерам: их диаметры не должны отличаться от среднего размера более чем на 5-8%.
Темплатный каркас, состоящий из упорядоченных монодисперсных коллоидных частиц, в литературе принято называть “коллоидным кристаллом” (colloidal crystal) (см. рис 22а). Как правило, для их формирования используются кварцевые или полимерные латексные сферы, хотя в литературе описаны случаи применения эмульсионных капель, золота и монодисперсных полупроводниковых нанокристаллов.
Для практического использования бездефектные области в фотонном кристалле не должны превышать 1000 мкм2. Поэтому проблема упорядочения кварцевых и полимерных сферических частиц является одной из важнейших при создании фотонных кристаллов.
Осаждение коллоидных частиц только под действием сил гравитации моделирует естественный механизм образования природного опала. Поэтому этот метод был подробно изучен уже достаточно давно. В процессе длительного отстаивания происходит разделение частиц по размерам, что позволяет получать хорошо упорядоченные образцы синтетических опалов, даже если используемые кварцевые сферы имеют значительный разброс по размерам.
Однако, естественное осаждение – очень медленный процесс, как правило, требующий нескольких недель или даже месяцев, особенно в том случае, когда диаметр сфер не превышает 300 нм. Центрифугирование позволяет значительно ускорить процесс формирования коллоидных кристаллов. Однако, полученные в таких условиях материалы упорядочены хуже, так как при высокой скорости осаждения разделение частиц по размерам не успевает произойти. При этом, как было показано в работе, на качество получающегося опала сильное влияние оказывает скорость центрифугирования.
Так, при осаждении сферических кварцевых частиц диаметром 375-480 нм наиболее хорошо упорядоченные коллоидные кристаллы были получены при центрифугировании со скоростью 4000 об./мин, при скоростях 3000 и 5000 об./мин образцы были упорядочены значительно хуже.
Рис. 23. Влияние электрофореза на осаждение крупных кварцевых сферических частиц диаметром 870 нм: а) – электрофорез не применяется; б) – электрофорез применяется.
Метод естественного осаждения связан с рядом сложностей. Если размеры кварцевых сфер достаточно малы (< 300 нм), они могут не образовать осадка, поскольку энергия теплового движения становится сопоставимой с энергией гравитационного поля. С другой стороны, при осаждении крупных сфер (диаметром > 550 нм) скорость их осаждения настолько велика, что получить упорядоченные массивы становится затруднительно, а при последующем увеличении размеров сфер – практически невозможно.
В связи с этим для увеличения скорости седиментации малых сфер и уменьшения – больших использовали электрофорез. В этих экспериментах вертикальное электрическое поле (в зависимости от его направления) в одних случаях “увеличивало”, а в других – “понижало” силу тяжести, действующую на частицы. Как и ожидалось, чем медленнее проводили процесс осаждения, тем более упорядоченными получались образцы. Например, в работе было показано, что при естественном осаждении кварцевых частиц диаметром 870 нм формируется коллоидный кристалл с полностью неупорядоченной структурой (рис. 23а). Использование же электрофореза позволяет получать достаточно хорошо упорядоченный материал (рис. 23б). При осаждении кварцевых частиц диаметром 205 нм использование электрофореза значительно увеличивало скорость седиментации (от 0,09 в случае естественного осаждения до 0,35 мм/ч). В результате коллоидный кристалл образовывался не за 2 месяца, а менее чем за две недели, причем ухудшения оптических свойств не происходило.
Другим способом упорядочения коллоидных сфер является метод осаждения на мембранах. Так, в работах полимерные коллоидные кристаллы были получены фильтрованием суспензии, содержащей, в основном, латексные сферы диаметром 300-1000 нм, через ровную поликарбонатную мембрану с порами размером ~100 нм, которые задерживали крупные, пропуская растворитель и более мелкие сферы.
В последнее время большое распространение получили метод упорядочения коллоидных сфер, связанный с использованием капиллярных сил. Показано, что кристаллизация субмикронных частиц на границе мениска между вертикальной подложкой и коллоидной суспензией по мере испарения последней приводит к образованию тонкой, плоской, хорошо упорядоченной структуры. В то же время, считалось, что использование этого метода для получения коллоидных кристаллов на основе частиц диаметром > 400 нм невозможно, поскольку осаждение крупных частиц под действием силы тяжести, как правило, происходит быстрее, чем движение мениска вдоль подложки вследствие испарения растворителя. Это создает определенные проблемы для коммерческих приложений метода: фотонные кристаллы в важнейшем для современных средств связи диапазоне длин волн 1,3-1,5 мкм формируются на основе сфер с диаметрами в интервале 700-900 нм.
Эту проблему решили, применяя градиент температур, инициирующий конвекцию: конвекционные потоки замедляют седиментацию, ускоряют испарение и приводят к непрерывному току сферических частиц к мениску (рис. 24). Так, используя этот метод, удалось добиться упорядочения кварцевых сфер диаметром 0,86 мкм на силиконовой подложке. Необходимо подчеркнуть, что материал получаемой структуры характеризовался значительно меньшей концентрацией точечных дефектов, а сами кварцевые коллоидные кристаллы были значительно крупнее, чем удавалось получать ранее.
Простой метод получения коллоидных кристаллов, не требующий экстремальных условий проведения эксперимента: упорядочение полистирольных сферических частиц происходящий на поверхности воды только за счет подъема температуры суспензии до 90°C. В ходе эксперимента, латексные сферы диаметром 240 нм оставались в растворе во взвешенном состоянии при постоянной температуре более 2 месяцев. Из-за непрерывно протекающего испарения раствора, концентрация коллоидных частиц на его поверхности, по-видимому, значительно возрастает, что приводит к их самоорганизации (под действием капиллярных сил) в упорядоченные области.
Рис. 24. Метод упорядочения крупных кварцевых сфер на поверхности вертикальной подложки, использующий действие капиллярных сил и градиента температур.
Расчеты показали, что плотность “организованных” сфер становится меньше плотности воды, поэтому они не тонут. В процессе дальнейшего испарения воды к первичному кластеру пристраивается следующий упорядоченный слой и т.д. Именно малая разность между плотностью воды (1 г/см3) и полистирола (1,04 г/см3) позволяет получать коллоидные кристаллы на поверхности раствора. Действительно, при экспериментировании с метанолом (имеющий значительно меньшую плотность ρ = 0,79 г/см3), образование упорядоченных структур не происходит.
Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов
При самопроизвольном формировании фотонных кристаллов используются коллоидальные частицы (чаще всего используются монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы, но и другие материалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработки технологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мере испарения жидкости осаждаются в некотором объеме. По мере их осаждения друг на друга, они формируют трехмерный фотонный кристалл, и упорядочиваются преимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллические решетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалла может занять недели.
Другой метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом, предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы через маленькие споры. Этот метод позволяет сформировать фотонный кристалл со скоростью определенной скоростью течения жидкости через поры, но при высыхании такого кристалла образуются дефекты в кристалле.
Возможен метод вертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченные фотонные кристаллы большего размера, чем позволяют получить вышеописанные методы.
Выше уже отмечалось, что в большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления в фотонном кристалле для получения запрещенных фотонных зон во всех направлениях. Упомянутые выше методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла чаше всего применялись для осаждения сферических коллоидальных частиц силикона, коэффициент преломления которого мал, а значит мал и контраст коэффициента преломления. Для увеличения этого контраста, используется дополнительные технологические шаги, на которых сначала пространство между частицами заполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицы вытравливаются
Методы травления
Методы травления наиболее удобны для изготовления двухмерных фотонных кристаллов и являются широко используемыми технологическими методами при производстве полупроводниковых приборов. Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (которая задает, например, массив окружностей), осажденной на поверхности полупроводника, которая задает геометрию области травления. Эта маска может быть получена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которым следует травление сухим или влажным методом поверхности образца с фоторезистом. При этом, в тех областях, в которых находится фоторезист, происходит травление поверхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста - травление полупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления не будет достигнута и после этого фоторезист смывается. Таким образом формируется простейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использование фотолитографии, наиболее распространенное разрешение которой составляет порядка одного микрона. Фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка сотен нанометров, поэтому использование фотолитографии при производстве фотонных кристаллов с запрещенными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса. Тем не менее, фотолитография используется. Чаще всего, для достижения нужного разрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса с литографией при помощи электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чаще всего ионов Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методом травления, они позволяют удалять часть материала без использования фотолитографии и дополнительного травления. Современные системы использующие сфокусированные ионные пучки используют так называемую "карту травления", записанную в специальный форматах файлов, которая описывает где пучок ионов будет работать, сколько импульсов ионный пучок должен послать в определенную точку и т.д. Таким образом, создание фотонного кристалла при помощи таких систем максимально упрощено - достаточно создать такую "карту травления" (при помощи специального программного обеспечения) в которой будет определена периодическая область травления, загрузить её в компьютер, управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесс травления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения материалов внутри вытравленных областей используются дополнительные газы. Материалы, осажденные в вытравленные области, позволяют формировать фотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материала и воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов.
Голографические методы
Голографические методы создания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, для формирования периодического изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух или более когерентных волн, которая создает периодическое распределение интенсивности электрического поля. Интерференция двух волн позволяет создавать одномерные фотонные кристаллы, трех и более лучей - двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы.
Другие методы создания фотонных кристаллов
Однофотонная фотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трехмерные фотонные кристаллы с разрешением 200нм и использует свойство некоторых материалов, таких как полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонному облучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения. Литография при помощи пучка электронов является дорогим, но выскоточным методом для изготовления двумерных фотонных кристаллов. В этом методе, фоторезист, который меняет свои свойства под действием пучка электронов, облучается пучком в определенных местах для формирования пространственной маски. После облучения, часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как маска для травления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этого метода - 10нм. Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу, только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимущества литографии при помощи пучка ионов над литографией при помощи пучка электронов заключаются в том, что фоторезист более чувствителен к пучкам ионов, чем электронов и отсутствует "эффект близости" ("proximity effect"), который ограничивает минимально возможный размер области при литографии при помощи пучка электронов.
www.neuch.ru
Созданиетрехмерного фотонного кристалла в видимом интервале длин волн остается напротяжении последних десяти лет одной из главных задач материаловедения, длярешения которой большинство исследователей сосредоточились на двухпринципиально разных подходах: использование темплатных методов, создающихпредпосылки для самоорганизации синтезируемых наносистем, и нанолитографии.Среди первой группы методов наибольшеераспространение получили такие, которые в качестве темплатов для созданиятвердых тел с периодической системой пор используют монодисперсные коллоидныесферы. Эти методы позволяют получить фотонные кристаллы на основе металлов,неметаллов, оксидов, полупроводников, полимеров, и т.д. Все указанные методывключают несколько общих этапов (рис. 22)./> Рис. 22. Схема темплатного синтеза фотонных кристалловНа первом этапе, близкие по размерам коллоидныесферы равномерно “упаковывают” в виде трехмерных (иногда двухмерных) каркасов,которые в дальнейшем выступают в качестве темплатов (рис. 22а). Дляупорядочения сфер помимо естественного (спонтанного) осаждения используютсяцентрифугирование, фильтрование с использованием мембран и электрофорез. Приэтом, в случае использования кварцевых сфер получающийся материал являетсясинтетическим аналогом природного опала.На втором этапе, пустоты в темплатной структурепропитывают жидкостью, которая впоследствии при различных физико-химическихвоздействиях превращается в твердый каркас. Другими методами заполнениявеществом пустот темплата являются либо электрохимические методы, либо метод CVD (рис. 22б).На последнем этапе, темплат (коллоидные сферы)удаляют, используя в зависимости от его природы процессы растворения илитермического разложения (рис. 22в). Получающиеся структуры часто называютобратными репликами исходных коллоидных кристаллов или “обратными опалами”.Очевидно, что сферы, используемые в качестветемплатов для формирования пористых твердых тел, должны смачиваться наносимымипрекурсорами, а также должны быть легко удаляемы в условиях, при которых создаваемаякаркасная структура не разрушается. Кроме того, чтобы конечный пористыйматериал обладал фотонными свойствами, сферы должны иметь узкое распределениепо размерам: их диаметры не должны отличаться от среднего размера более чем на5-8%.Темплатный каркас, состоящий из упорядоченныхмонодисперсных коллоидных частиц, в литературе принято называть “коллоиднымкристаллом” (colloidal crystal) (см. рис 22а). Как правило, для их формированияиспользуются кварцевые или полимерные латексные сферы, хотя в литературеописаны случаи применения эмульсионных капель, золота и монодисперсныхполупроводниковых нанокристаллов.Для практического использования бездефектныеобласти в фотонном кристалле не должны превышать 1000 мкм2. Поэтомупроблема упорядочения кварцевых и полимерных сферических частиц является однойиз важнейших при создании фотонных кристаллов.Осаждение коллоидных частиц только под действиемсил гравитации моделирует естественный механизм образования природного опала.Поэтому этот метод был подробно изучен уже достаточно давно. В процесседлительного отстаивания происходит разделение частиц по размерам, что позволяетполучать хорошо упорядоченные образцы синтетических опалов, даже еслииспользуемые кварцевые сферы имеют значительный разброс по размерам. Однако, естественное осаждение – очень медленныйпроцесс, как правило, требующий нескольких недель или даже месяцев, особенно втом случае, когда диаметр сфер не превышает 300 нм. Центрифугирование позволяетзначительно ускорить процесс формирования коллоидных кристаллов. Однако,полученные в таких условиях материалы упорядочены хуже, так как при высокойскорости осаждения разделение частиц по размерам не успевает произойти. Приэтом, как было показано в работе, на качество получающегося опала сильноевлияние оказывает скорость центрифугирования. Так, при осаждении сферических кварцевых частицдиаметром 375-480 нм наиболее хорошо упорядоченные коллоидные кристаллы былиполучены при центрифугировании со скоростью 4000 об./мин, при скоростях 3000 и5000 об./мин образцы были упорядочены значительно хуже./> Рис. 23.Влияние электрофореза наосаждение крупных кварцевых сферических частиц диаметром 870 нм: а) –электрофорез не применяется; б) – электрофорез применяется.
Методестественного осаждения связан с рядом сложностей. Если размеры кварцевых сфердостаточно малы ( 550 нм)скорость их осаждения настолько велика, что получить упорядоченные массивыстановится затруднительно, а при последующем увеличении размеров сфер –практически невозможно.В связи с этим для увеличения скоростиседиментации малых сфер и уменьшения – больших использовали электрофорез. Вэтих экспериментах вертикальное электрическое поле (в зависимости от егонаправления) в одних случаях “увеличивало”, а в других – “понижало” силутяжести, действующую на частицы. Как и ожидалось, чем медленнее проводилипроцесс осаждения, тем более упорядоченными получались образцы. Например, вработе было показано, что при естественном осаждении кварцевых частиц диаметром870 нм формируется коллоидный кристалл с полностью неупорядоченной структурой(рис. 23а). Использование же электрофореза позволяет получать достаточно хорошоупорядоченный материал (рис. 23б). При осаждении кварцевых частиц диаметром 205нм использование электрофореза значительно увеличивало скорость седиментации(от 0,09 в случае естественного осаждения до 0,35 мм/ч). В результатеколлоидный кристалл образовывался не за 2 месяца, а менее чем за две недели,причем ухудшения оптических свойств не происходило.Другим способом упорядочения коллоидных сферявляется метод осаждения на мембранах. Так, в работах полимерные коллоидныекристаллы были получены фильтрованием суспензии, содержащей, в основном,латексные сферы диаметром 300-1000 нм, через ровную поликарбонатную мембрану спорами размером ~100 нм, которые задерживали крупные, пропуская растворитель иболее мелкие сферы.В последнеевремя большое распространение получили метод упорядочения коллоидных сфер,связанный с использованием капиллярных сил. Показано, что кристаллизациясубмикронных частиц на границе мениска между вертикальной подложкой иколлоидной суспензией по мере испарения последней приводит к образованиютонкой, плоской, хорошо упорядоченной структуры. В то же время, считалось, чтоиспользование этого метода для получения коллоидных кристаллов на основе частицдиаметром > 400 нм невозможно, поскольку осаждение крупных частиц поддействием силы тяжести, как правило, происходит быстрее, чем движение менискавдоль подложки вследствие испарения растворителя. Это создает определенныепроблемы для коммерческих приложений метода: фотонные кристаллы в важнейшем длясовременных средств связи диапазоне длин волн 1,3-1,5 мкм формируются на основесфер с диаметрами в интервале 700-900 нм.Эту проблему решили, применяя градиенттемператур, инициирующий конвекцию: конвекционные потоки замедляютседиментацию, ускоряют испарение и приводят к непрерывному току сферическихчастиц к мениску (рис. 24). Так, используя этот метод, удалось добитьсяупорядочения кварцевых сфер диаметром 0,86 мкм на силиконовой подложке.Необходимо подчеркнуть, что материал получаемой структуры характеризовалсязначительно меньшей концентрацией точечных дефектов, а сами кварцевыеколлоидные кристаллы были значительно крупнее, чем удавалось получать ранее.Простой метод получения коллоидных кристаллов, нетребующий экстремальных условий проведения эксперимента: упорядочениеполистирольных сферических частиц происходящий на поверхности воды только засчет подъема температуры суспензии до 90°C. В ходе эксперимента, латексныесферы диаметром 240 нм оставались в растворе во взвешенном состоянии припостоянной температуре более 2 месяцев. Из-за непрерывно протекающего испаренияраствора, концентрация коллоидных частиц на его поверхности, по-видимому,значительно возрастает, что приводит к их самоорганизации (под действием капиллярныхсил) в упорядоченные области./> Рис. 24. Метод упорядочения крупных кварцевыхсфер на поверхности вертикальной подложки, использующий действие капиллярныхсил и градиента температур.Расчеты показали, что плотность “организованных”сфер становится меньше плотности воды, поэтому они не тонут. В процесседальнейшего испарения воды к первичному кластеру пристраивается следующийупорядоченный слой и т.д. Именно малая разность между плотностью воды (1 г/см3)и полистирола (1,04 г/см3) позволяет получать коллоидные кристаллына поверхности раствора. Действительно, при экспериментировании с метанолом(имеющий значительно меньшую плотность ρ = 0,79 г/см3),образование упорядоченных структур не происходит.Методы, использующиесамопроизвольное формирование фотонных кристалловПри самопроизвольномформировании фотонных кристаллов используются коллоидальные частицы (чаще всегоиспользуются монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы, но и другиематериалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработкитехнологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мереиспарения жидкости осаждаются в некотором объеме. По мере их осаждения друг надруга, они формируют трехмерный фотонный кристалл, и упорядочиваютсяпреимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллическиерешетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалламожет занять недели.Другой методсамопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом,предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы черезмаленькие споры. Этот метод позволяет сформировать фотонный кристалл соскоростью определенной скоростью течения жидкости через поры, но при высыханиитакого кристалла образуются дефекты в кристалле.Возможен методвертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченныефотонные кристаллы большего размера, чем позволяют получить вышеописанныеметоды.Выше уже отмечалось, чтов большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления вфотонном кристалле для получения запрещенных фотонных зон во всех направлениях.Упомянутые выше методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла чашевсего применялись для осаждения сферических коллоидальных частиц силикона,коэффициент преломления которого мал, а значит мал и контраст коэффициентапреломления. Для увеличения этого контраста, используется дополнительныетехнологические шаги, на которых сначала пространство между частицамизаполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицывытравливаютсяМетоды травленияМетоды травления наиболееудобны для изготовления двухмерных фотонных кристаллов и являются широкоиспользуемыми технологическими методами при производстве полупроводниковыхприборов. Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (котораязадает, например, массив окружностей), осажденной на поверхностиполупроводника, которая задает геометрию области травления. Эта маска может бытьполучена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которымследует травление сухим или влажным методом поверхности образца с фоторезистом.При этом, в тех областях, в которых находится фоторезист, происходит травлениеповерхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста — травлениеполупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления небудет достигнута и после этого фоторезист смывается. Таким образом формируетсяпростейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использованиефотолитографии, наиболее распространенное разрешение которой составляет порядкаодного микрона. Фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка сотеннанометров, поэтому использование фотолитографии при производстве фотонных кристалловс запрещенными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса.Тем не менее, фотолитография используется. Чаще всего, для достижения нужногоразрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса слитографией при помощи электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чащевсего ионов Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методомтравления, они позволяют удалять часть материала без использованияфотолитографии и дополнительного травления. Современные системы использующиесфокусированные ионные пучки используют так называемую «картутравления», записанную в специальный форматах файлов, которая описываетгде пучок ионов будет работать, сколько импульсов ионный пучок должен послать вопределенную точку и т.д. Таким образом, создание фотонного кристалла припомощи таких систем максимально упрощено — достаточно создать такую «картутравления» (при помощи специального программного обеспечения) в которойбудет определена периодическая область травления, загрузить её в компьютер,управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесстравления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или жедля осаждения материалов внутри вытравленных областей используются дополнительныегазы. Материалы, осажденные в вытравленные области, позволяют формироватьфотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материалаи воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов.Голографические методыГолографические методысоздания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, дляформирования периодического изменения коэффициента преломления впространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух илиболее когерентных волн, которая создает периодическое распределениеинтенсивности электрического поля. Интерференция двух волн позволяет создаватьодномерные фотонные кристаллы, трех и более лучей — двухмерные и трехмерныефотонные кристаллы.Другие методы создания фотонныхкристалловОднофотоннаяфотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трехмерныефотонные кристаллы с разрешением 200нм и использует свойство некоторыхматериалов, таких как полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонномуоблучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения.Литография при помощи пучка электронов является дорогим, но выскоточным методомдля изготовления двумерных фотонных кристаллов. В этом методе, фоторезист,который меняет свои свойства под действием пучка электронов, облучается пучкомв определенных местах для формирования пространственной маски. После облучения,часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как маска длятравления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этогометода — 10нм. Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу,только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимуществалитографии при помощи пучка ионов над литографией при помощи пучка электроновзаключаются в том, что фоторезист более чувствителен к пучкам ионов, чемэлектронов и отсутствует «эффект близости» («proximityeffect»), который ограничивает минимально возможный размер области прилитографии при помощи пучка электронов.
2dip.su
Реферат
Изготовление фотонных кристаллов
Создание трехмерного фотонного кристалла в видимом интервале длин волн остается на протяжении последних десяти лет одной из главных задач материаловедения, для решения которой большинство исследователей сосредоточились на двух принципиально разных подходах: использование темплатных методов, создающих предпосылки для самоорганизации синтезируемых наносистем, и нанолитографии.
Среди первой группы методов наибольшее распространение получили такие, которые в качестве темплатов для создания твердых тел с периодической системой пор используют монодисперсные коллоидные сферы. Эти методы позволяют получить фотонные кристаллы на основе металлов, неметаллов, оксидов, полупроводников, полимеров, и т.д. Все указанные методы включают несколько общих этапов (рис. 22).
Рис. 22. Схема темплатного синтеза фотонных кристаллов
На первом этапе, близкие по размерам коллоидные сферы равномерно “упаковывают” в виде трехмерных (иногда двухмерных) каркасов, которые в дальнейшем выступают в качестве темплатов (рис. 22а). Для упорядочения сфер помимо естественного (спонтанного) осаждения используются центрифугирование, фильтрование с использованием мембран и электрофорез. При этом, в случае использования кварцевых сфер получающийся материал является синтетическим аналогом природного опала.
На втором этапе, пустоты в темплатной структуре пропитывают жидкостью, которая впоследствии при различных физико-химических воздействиях превращается в твердый каркас. Другими методами заполнения веществом пустот темплата являются либо электрохимические методы, либо метод CVD (рис. 22б).
На последнем этапе, темплат (коллоидные сферы) удаляют, используя в зависимости от его природы процессы растворения или термического разложения (рис. 22в). Получающиеся структуры часто называют обратными репликами исходных коллоидных кристаллов или “обратными опалами”.
Очевидно, что сферы, используемые в качестве темплатов для формирования пористых твердых тел, должны смачиваться наносимыми прекурсорами, а также должны быть легко удаляемы в условиях, при которых создаваемая каркасная структура не разрушается. Кроме того, чтобы конечный пористый материал обладал фотонными свойствами, сферы должны иметь узкое распределение по размерам: их диаметры не должны отличаться от среднего размера более чем на 5-8%.
Темплатный каркас, состоящий из упорядоченных монодисперсных коллоидных частиц, в литературе принято называть “коллоидным кристаллом” (colloidal crystal) (см. рис 22а). Как правило, для их формирования используются кварцевые или полимерные латексные сферы, хотя в литературе описаны случаи применения эмульсионных капель, золота и монодисперсных полупроводниковых нанокристаллов.
Для практического использования бездефектные области в фотонном кристалле не должны превышать 1000 мкм2. Поэтому проблема упорядочения кварцевых и полимерных сферических частиц является одной из важнейших при создании фотонных кристаллов.
Осаждение коллоидных частиц только под действием сил гравитации моделирует естественный механизм образования природного опала. Поэтому этот метод был подробно изучен уже достаточно давно. В процессе длительного отстаивания происходит разделение частиц по размерам, что позволяет получать хорошо упорядоченные образцы синтетических опалов, даже если используемые кварцевые сферы имеют значительный разброс по размерам.
Однако, естественное осаждение – очень медленный процесс, как правило, требующий нескольких недель или даже месяцев, особенно в том случае, когда диаметр сфер не превышает 300 нм. Центрифугирование позволяет значительно ускорить процесс формирования коллоидных кристаллов. Однако, полученные в таких условиях материалы упорядочены хуже, так как при высокой скорости осаждения разделение частиц по размерам не успевает произойти. При этом, как было показано в работе, на качество получающегося опала сильное влияние оказывает скорость центрифугирования.
Так, при осаждении сферических кварцевых частиц диаметром 375-480 нм наиболее хорошо упорядоченные коллоидные кристаллы были получены при центрифугировании со скоростью 4000 об./мин, при скоростях 3000 и 5000 об./мин образцы были упорядочены значительно хуже.
Рис. 23. Влияние электрофореза на осаждение крупных кварцевых сферических частиц диаметром 870 нм: а) – электрофорез не применяется; б) – электрофорез применяется.
Метод естественного осаждения связан с рядом сложностей. Если размеры кварцевых сфер достаточно малы (< 300 нм), они могут не образовать осадка, поскольку энергия теплового движения становится сопоставимой с энергией гравитационного поля. С другой стороны, при осаждении крупных сфер (диаметром > 550 нм) скорость их осаждения настолько велика, что получить упорядоченные массивы становится затруднительно, а при последующем увеличении размеров сфер – практически невозможно.
В связи с этим для увеличения скорости седиментации малых сфер и уменьшения – больших использовали электрофорез. В этих экспериментах вертикальное электрическое поле (в зависимости от его направления) в одних случаях “увеличивало”, а в других – “понижало” силу тяжести, действующую на частицы. Как и ожидалось, чем медленнее проводили процесс осаждения, тем более упорядоченными получались образцы. Например, в работе было показано, что при естественном осаждении кварцевых частиц диаметром 870 нм формируется коллоидный кристалл с полностью неупорядоченной структурой (рис. 23а). Использование же электрофореза позволяет получать достаточно хорошо упорядоченный материал (рис. 23б). При осаждении кварцевых частиц диаметром 205 нм использование электрофореза значительно увеличивало скорость седиментации (от 0,09 в случае естественного осаждения до 0,35 мм/ч). В результате коллоидный кристалл образовывался не за 2 месяца, а менее чем за две недели, причем ухудшения оптических свойств не происходило.
Другим способом упорядочения коллоидных сфер является метод осаждения на мембранах. Так, в работах полимерные коллоидные кристаллы были получены фильтрованием суспензии, содержащей, в основном, латексные сферы диаметром 300-1000 нм, через ровную поликарбонатную мембрану с порами размером ~100 нм, которые задерживали крупные, пропуская растворитель и более мелкие сферы.
В последнее время большое распространение получили метод упорядочения коллоидных сфер, связанный с использованием капиллярных сил. Показано, что кристаллизация субмикронных частиц на границе мениска между вертикальной подложкой и коллоидной суспензией по мере испарения последней приводит к образованию тонкой, плоской, хорошо упорядоченной структуры. В то же время, считалось, что использование этого метода для получения коллоидных кристаллов на основе частиц диаметром > 400 нм невозможно, поскольку осаждение крупных частиц под действием силы тяжести, как правило, происходит быстрее, чем движение мениска вдоль подложки вследствие испарения растворителя. Это создает определенные проблемы для коммерческих приложений метода: фотонные кристаллы в важнейшем для современных средств связи диапазоне длин волн 1,3-1,5 мкм формируются на основе сфер с диаметрами в интервале 700-900 нм.
Эту проблему решили, применяя градиент температур, инициирующий конвекцию: конвекционные потоки замедляют седиментацию, ускоряют испарение и приводят к непрерывному току сферических частиц к мениску (рис. 24). Так, используя этот метод, удалось добиться упорядочения кварцевых сфер диаметром 0,86 мкм на силиконовой подложке. Необходимо подчеркнуть, что материал получаемой структуры характеризовался значительно меньшей концентрацией точечных дефектов, а сами кварцевые коллоидные кристаллы были значительно крупнее, чем удавалось получать ранее.
Простой метод получения коллоидных кристаллов, не требующий экстремальных условий проведения эксперимента: упорядочение полистирольных сферических частиц происходящий на поверхности воды только за счет подъема температуры суспензии до 90°C. В ходе эксперимента, латексные сферы диаметром 240 нм оставались в растворе во взвешенном состоянии при постоянной температуре более 2 месяцев. Из-за непрерывно протекающего испарения раствора, концентрация коллоидных частиц на его поверхности, по-видимому, значительно возрастает, что приводит к их самоорганизации (под действием капиллярных сил) в упорядоченные области.
Рис. 24. Метод упорядочения крупных кварцевых сфер на поверхности вертикальной подложки, использующий действие капиллярных сил и градиента температур.
Расчеты показали, что плотность “организованных” сфер становится меньше плотности воды, поэтому они не тонут. В процессе дальнейшего испарения воды к первичному кластеру пристраивается следующий упорядоченный слой и т.д. Именно малая разность между плотностью воды (1 г/см3) и полистирола (1,04 г/см3) позволяет получать коллоидные кристаллы на поверхности раствора. Действительно, при экспериментировании с метанолом (имеющий значительно меньшую плотность ρ = 0,79 г/см3), образование упорядоченных структур не происходит.
Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов
При самопроизвольном формировании фотонных кристаллов используются коллоидальные частицы (чаще всего используются монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы, но и другие материалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработки технологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мере испарения жидкости осаждаются в некотором объеме. По мере их осаждения друг на друга, они формируют трехмерный фотонный кристалл, и упорядочиваются преимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллические решетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалла может занять недели.
Другой метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом, предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы через маленькие споры. Этот метод позволяет сформировать фотонный кристалл со скоростью определенной скоростью течения жидкости через поры, но при высыхании такого кристалла образуются дефекты в кристалле.
Возможен метод вертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченные фотонные кристаллы большего размера, чем позволяют получить вышеописанные методы.
Выше уже отмечалось, что в большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления в фотонном кристалле для получения запрещенных фотонных зон во всех направлениях. Упомянутые выше методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла чаше всего применялись для осаждения сферических коллоидальных частиц силикона, коэффициент преломления которого мал, а значит мал и контраст коэффициента преломления. Для увеличения этого контраста, используется дополнительные технологические шаги, на которых сначала пространство между частицами заполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицы вытравливаются
Методы травления
Методы травления наиболее удобны для изготовления двухмерных фотонных кристаллов и являются широко используемыми технологическими методами при производстве полупроводниковых приборов. Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (которая задает, например, массив окружностей), осажденной на поверхности полупроводника, которая задает геометрию области травления. Эта маска может быть получена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которым следует травление сухим или влажным методом поверхности образца с фоторезистом. При этом, в тех областях, в которых находится фоторезист, происходит травление поверхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста - травление полупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления не будет достигнута и после этого фоторезист смывается. Таким образом формируется простейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использование фотолитографии, наиболее распространенное разрешение которой составляет порядка одного микрона. Фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка сотен нанометров, поэтому использование фотолитографии при производстве фотонных кристаллов с запрещенными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса. Тем не менее, фотолитография используется. Чаще всего, для достижения нужного разрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса с литографией при помощи электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чаще всего ионов Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методом травления, они позволяют удалять часть материала без использования фотолитографии и дополнительного травления. Современные системы использующие сфокусированные ионные пучки используют так называемую "карту травления", записанную в специальный форматах файлов, которая описывает где пучок ионов будет работать, сколько импульсов ионный пучок должен послать в определенную точку и т.д. Таким образом, создание фотонного кристалла при помощи таких систем максимально упрощено - достаточно создать такую "карту травления" (при помощи специального программного обеспечения) в которой будет определена периодическая область травления, загрузить её в компьютер, управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесс травления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения материалов внутри вытравленных областей используются дополнительные газы. Материалы, осажденные в вытравленные области, позволяют формировать фотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материала и воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов.
Голографические методы
Голографические методы создания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, для формирования периодического изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух или более когерентных волн, которая создает периодическое распределение интенсивности электрического поля. Интерференция двух волн позволяет создавать одномерные фотонные кристаллы, трех и более лучей - двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы.
Другие методы создания фотонных кристаллов
Однофотонная фотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трехмерные фотонные кристаллы с разрешением 200нм и использует свойство некоторых материалов, таких как полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонному облучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения. Литография при помощи пучка электронов является дорогим, но выскоточным методом для изготовления двумерных фотонных кристаллов. В этом методе, фоторезист, который меняет свои свойства под действием пучка электронов, облучается пучком в определенных местах для формирования пространственной маски. После облучения, часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как маска для травления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этого метода - 10нм. Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу, только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимущества литографии при помощи пучка ионов над литографией при помощи пучка электронов заключаются в том, что фоторезист более чувствителен к пучкам ионов, чем электронов и отсутствует "эффект близости" ("proximity effect"), который ограничивает минимально возможный размер области при литографии при помощи пучка электронов.
| Коллоидная химия | |
| ВВЕДЕНИЕ Предметом физической химии является объяснение химических явлений на основе более общих законов физики. Физическая химия рассматривает две ... Общей мерой передаваемого такими способами движения является работа - форма передачи энергии путём упорядоченного движения частиц.На использовании эффекта Тиндаля основывается ультрамикроскоп - прибор, позволяющий наблюдать коллоидные частицы размером более 3 нанометров в рассеянном свете (в обычном ... | Раздел: Рефераты по химииТип: учебное пособие |
| Жидкостное химическое травление | |
| Содержание. 1. Введение. 3 1.1. Термодинамика травления. 5 1.2. Общие принципы кинетики травления. 8 1.3. Феноменологический механизм травления. 9 2 ... Поскольку травление переводит упорядоченные структуры в неупорядоченные, термодинамические соображения о поведении свободной энергии DF системы должны учитывать изменения как ... В процессе реакции травления элементарный фтор может легко замещать атом О в SiO2, так как фтор обладает меньшим ионным радиусом (0.14 нм), чем SiѭO (16 нм). | Раздел: Рефераты по науке и техникеТип: реферат |
| Исследование свойств магнитных жидкостей методом светорассеяния | |
| ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СВЕТОРАССЕЯНИЯ Введение Во второй половине прошлого века были синтезированы коллоидные растворы ... Магнитные жидкости (МЖ) - ультрадисперсные (со средним диаметром нм) устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и ... Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего ... | Раздел: Рефераты по физикеТип: дипломная работа |
| Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов | |
| Московский Государственный Открытый Университет Факультет информатики и радиоэлектроники Кафедра электронных приборов. Пояснительная записка по ... Процесс осаждения защитной плёнки на полупроводниковые кристаллы с p-n-переходами проводят в кварцевой трубе, в одном конце которого помещают материал источника, например Al2O3 , а ... Кристаллы с напылённым защитным слоем выдерживают в течение нескольких минут при комнатной температуре до полного испарения растворителя, а затем нагревают до 200 С. В результате ... | Раздел: Рефераты по технологииТип: реферат |
| Микрогетерогенные системы | |
| СУСПЕНЗИИ Суспензии - это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердого вещества размером более 10-7 м, а дисперсионной ... Формально суспензии от лиозолей (коллоидных растворов) отличаются только размерами частиц дисперсной фазы.При конденсационных методах конденсацию необходимо проводить так, чтобы образовывались частицы, имеющие размеры 10-7-10-4 м. Размер образующихся частиц зависит от соотношения ... | Раздел: Рефераты по химииТип: курсовая работа |
Вы можете узнать стоимость написания работы
5rik.ru
