211service.com
Třírozměrné fotonické krystaly září
Vědci poprvé vyrobili vysoce kvalitní trojrozměrné fotonické krystaly a použili je k výrobě vysoce účinné diody emitující světlo (LED). Trojrozměrné fotonické krystaly slibují zvýšení výkonu téměř jakéhokoli optického zařízení, ať už jde o displej, solární článek nebo účinnou žárovku – ale až dosud je nikdo nedokázal vyrobit pomocí komerčně životaschopných metod nebo použitelných materiálů. . Výzkumníci z University of Illinois v Urbana-Champaign nyní pracují na solárních článcích založených na strukturách.
Krystalová výplň: Tento obrázek ukazuje arsenid galia (modrý) rostoucí kolem šablony za účelem vytvoření trojrozměrného fotonického krystalu.
Fotonické krystaly mohou řídit absorpci, emisi a pohyb světla velmi přesným způsobem na základě jejich struktury. Od konce 80. let jsou horkou oblastí výzkumu. Doposud bylo praktické vyrábět pouze ploché, dvourozměrné fotonické krystaly. Ty velmi dobře ovládají pohyb světla ve dvou rozměrech, ale ne dokonale ve třetím. Přesto byli velmi úspěšní. Zavolala společnost Luxtera , například vyvinul způsoby budování optických propojení na bázi fotonických krystalů přímo na počítačových čipech. Přiblížení optických signálů k počítačovým procesorům pomáhá urychlit přenos dat a použití fotonických krystalů pomáhá udržet velikost těchto spojů kompaktní. Luminus se zaměřila na LED diody, u kterých krystaly pomáhají zlepšit světelný výkon, díky čemuž jsou tato zařízení jasnější a energeticky účinnější.
Trojrozměrné fotonické krystaly by však vytvořily ještě lepší optická zařízení. Klíčovou výhodou je, že můžete skutečně ovládat šíření světla ve všech dimenzích, říká Pavel Braun , profesor materiálové vědy a inženýrství na University of Illinois. Braun vede práci na trojrozměrných fotonických krystalech a jeho skupina také pracuje na výrobě solárních článků z krystalů.
Vytváření těchto struktur je složité. Struktury fotonických krystalů se liší, ale často se vyrábějí vrtáním děr v nanoměřítku, tyčí a dalších prvků do materiálu. Vzorování ploché desky materiálu s nezbytnými strukturami v nanoměřítku pro vytvoření dvourozměrného fotonického krystalu je relativně jednoduchý proces. Je mnohem obtížnější dostat tento druh vzorování do tlustého kusu materiálu, aby se vytvořila trojrozměrná struktura bez degradace materiálu. A druhy fotonických krystalů, které jsou nejužitečnější – ty, které dokážou aktivně konvertovat mezi elektrickými signály a optickými, kromě toho, že přesně manipulují s tokem světla – je nejtěžší vyrobit, protože během procesu se objevují materiálové vady. Tato přeměna světla na elektřinu a zpětná konverze je kritická u LED diod, solárních článků a optických datových propojení pro výpočetní techniku.
Skupina University of Illinois vyrobila vysoce kvalitní trojrozměrné fotonické krystaly jejich pěstováním na šabloně zdola nahoru, spíše než snahou zavést vzory v nanoměřítku do kusů materiálu. Vědci začnou tím, že vytvoří šablonu, hromady zabalených nanokuliček. Potom vloží šablonu do komory na nanášení páry a proudí v řadě plynů obsahujících gallium a arsenid. Materiály se ukládají na šablonu a rostou kolem ní. Je to jako naplnit krabici pingpongových míčků vodou: materiál, který proudí dovnitř, vyplňuje prostory mezi koulemi. Poté koule chemicky odstraní a zanechají za sebou trojrozměrný fotonický krystal – kus krystalického arsenidu galia, který je posetý dírami v nanoměřítku.
Gallium arsenid se používá k výrobě optických zařízení, jako jsou fotodetektory, ale vytvořit z něj trojrozměrné fotonické krystaly nebylo dříve možné. Nejen, že vědci z Illinois dokázali z materiálu vytvořit trojrozměrný fotonický krystal, ale byli také schopni jej použít k výrobě LED, která je poháněna elektrickým proudem.
Dlouho jsem čekal, až někdo dokáže to, co [skupina Illinois] dokázala, říká Eli Yablanovitch , profesor elektrotechniky a informatiky na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Na konci osmdesátých let Yablanovitch provedl některé základní práce na fotonických krystalech a prosadil myšlenku, že určité návrhy mohou vyzařovat světlo velmi kontrolovaným způsobem, což je užitečné pro LED.
Yablanovitch říká, že je těžké předvídat, co a kdy bude výsledkem této práce, protože dosud nikdo nevyrobil praktické trojrozměrné fotonické krystaly. Některé z nejpřesvědčivějších aplikací jsou již naplněny dvourozměrnými fotonickými krystaly, říká. Pokud bude výroba trojrozměrných fotonických krystalů tak snadná, jako je výroba jejich plochých protějšků již v produktech, budou vždy první volbou, říká Yablanovitch.
Tato technologie je pravděpodobně ještě několik let daleko od komercializace, říká Braun.