Классификация фотонных кристаллов

Темплатный каркас, состоящий из упорядоченных монодисперсных коллоидных частиц, в литературе принято называть «коллоидным кристаллом» (colloidal crystal) (см. рис 9а). 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 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.

 

 

а) – электрофорез не применяется; б) – электрофорез применяется

 

Рисунок 10 - Влияние электрофореза на осаждение крупных кварцевых сферических частиц диаметром 870 нм.

 

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. 10 а). Использование же электрофореза позволяет получать достаточно хорошо упорядоченный материал (рис. 10 б). 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. 10). 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.

 

Рисунок 10 - 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.

 

5.2 Литография

 

 В производстве двух- и трехмерных фотонных кристаллов ведущие позиции занимает литография. С ее  помощью реализуют один из двух основных путей создания  многомерных фотонных структур, иногда сокращенно называемый

«сверху - вниз». Такое название подчеркивает основную суть подхода - получить из целого и  однородного образца  структурированный  материал.

Литография  в настоящее время используется для решения широкого круга задач, связанных с формированием наноразмерных структур, причем не только оптических. Начиная с 60-х годов прошлого века именно так формируют интегральные микросхемы. При помощи литографического процесса удается создавать на подложке достаточно сложные системы. Из  многочисленных разновидностей литографии для более подробного рассмотрения выберем оптическую литографию. В оптической литографии используют фоторезистивные  материалы, которые наносят на подложку будущей структуры наноматериала. Фоторезистивный слой покрывают  литографическим шаблоном с созданной на нем необходимой структурой. Шаблон обычно делают из стекла или хрома. После этого получившуюся систему облучают либо видимым, либо более коротковолновым излучением. При этом благодаря  литографическому шаблону оказываются освещенными только требуемые участки фоторезиста. Далее систему обрабатывают  проявителем, и на фоторезисте образуется структура шаблона. При

контактной  печати пластина кремния, покрытая резистом, 

находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным

фотошаблоном.

Существует  два типа фоторезистивных материалов - 

положительный и отрицательный фоторезисты. Для отрицательного

фоторезиста характерно, что при освещении  светом он 

становится  менее растворимым в проявителе и образует на подложке

отрицательное изображение шаблона, т.е. под пустотами 

фотомаски остаются более толстые участки фотослоя, в то время как

области, закрытые ранее шаблоном, почти полностью  растворяются. В положительном фоторезисте ситуация противоположна. В результате литографического процесса на подложке  образуется требуемой узор, полости которого либо оставляют  пустыми, либо заполняют другим веществом. Затем можно нанести еще один слой фоторезиста и повторить процесс заново. В итоге получается двух- или трехмерная структура. Метод литографии требует дорогого оборудования, но в то же время он очень точный и гибкий и, кроме того, позволяет в принципе создавать произвольные структуры. Поэтому он весьма перспективен. Разрешающая способность оптической литографии, т.е.  минимально возможный размер получаемых деталей, ограничена дифракцией света и в настоящее время находится на уровне 100 нм. Однако если разместить между подложкой и  проекционной линзой микроскопические капли жидкости со строго  определенными свойствами, можно добиться разрешения в 65 и даже 45 нм. Такая методика уже давно используется для наблюдения субмикронных объектов в оптическом микроскопе и называется иммерсионной микроскопией.

Для создания фотонных кристаллов, особенно двумерных, большие перспективы имеет электронно-лучевая литография, в которой вместо оптического луча используют потоки электронов. При этом дифракционные ограничения не столь существенны, и удается получить разрешение порядка десятков нанометров.

В последнее  время все чаще используют еще  одну  разновидность литографии - интерференционную, или голографичеекую. В таком подходе специальный шаблон отсутствует, а требуемая структура формируется путем пространственной  интерференции нескольких световых пучков фемтосекундного 

лазера, освещающих фоторезистивный слой. К настоящему времени в производстве фотонных кристалле ж литографическим способом достигнуты впечатляющие  результаты. К таковым относятся упомянутые в четвертой главе  металлические (вольфрамовые) фотонные кристаллы с очень широкой полной запрещенной зоной в диапазоне от 8 до 20 мкм. Период такого трехмерного фотонного кристалла равен 4,2 мкм,  толщина элементов составляет 1,2 мкм.

Стоит упомянуть  и про трехмерный кристалл, сформированный иным методом (метод Лина-Флеминга). На кремниевую подложку наносят слой кварца, в котором нарезают  параллельные борозды и заполняют их поликремнием. Этот процесс повторяют многократно, но постоянно чередуют направление бороздок между двумя взаимно перпендикулярными ориентациями. Затем двуокись кремния (кварц) удаляют травлением Остается трехмерный остов из поликремниевых полос, он  изображен на рисунке 11а. Другие геометрии, полученные в последнее время, показаны на рисунке 11б. Чтобы создать фотонный кристалл с запрещенной зоной, непосредственно примыкающей к видимому диапазону, необходимо переходить в нанометровую область, что, учитывая недавний прогресс в литографическом разрешении, вполне  возможно.(7)

 

Рисунок 11 - Типичные структуры трехмерных фотонных кристаллов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Применение

 

Первое  применение фотонного кристалла - создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием «запрещенной зоны» для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.

Второе  применение - это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому  волокну идет не один, а несколько  световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать - направить каждый по отдельному пути. Например - оптический телефонный кабель, по которому идет одновременно несколько разговоров на разных длинах волн. Фотонный кристалл - идеальное средство для «высечения» из потока нужной длины волны и направления ее туда, куда требуется.

Третье - кросс для световых потоков. Такое  устройство, предохраняющее от взаимного  воздействия световых каналов при  их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.

Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, разглядев  самые разные перспективы их использования  для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы увеличить объем передаваемых по волоконным световодам данных, надо создавать как можно более короткие оптические импульсы. Это определяется временем срабатывания эмиссионых диодов. Вторая проблема - волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин волн. Третья проблема - на выходе информационных каналов требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели - своеобразные интегральные оптические схемы. Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные волноводы.