211service.com
Trīsdimensiju fotoniskie kristāli spīd
Pirmo reizi pētnieki ir izgatavojuši augstas kvalitātes trīsdimensiju fotoniskus kristālus un izmantojuši tos, lai izveidotu ļoti efektīvu gaismas diode (LED). Trīsdimensiju fotoniskie kristāli sola uzlabot gandrīz jebkuras optiskās ierīces veiktspēju, neatkarīgi no tā, vai tas ir displejs, saules baterija vai efektīva spuldze, taču līdz šim neviens nebija spējis tos izgatavot, izmantojot komerciāli dzīvotspējīgas metodes vai izmantojamus materiālus. . Pētnieki Ilinoisas Universitātē Urbana-Champaign tagad strādā pie saules baterijām, kuru pamatā ir šīs struktūras.
Kristālu pildījums: Šajā ilustrācijā parādīts gallija arsenīds (zils), kas aug ap veidni, lai izveidotu trīsdimensiju fotonisku kristālu.
Fotoniskie kristāli var kontrolēt gaismas absorbciju, emisiju un kustību ļoti precīzi, pamatojoties uz to struktūru. Kopš 80. gadu beigām tie ir bijuši aktuāla pētniecības joma. Līdz šim ir bijis praktiski izgatavot tikai plakanus, divdimensiju fotoniskus kristālus. Tie ļoti labi kontrolē gaismas kustību divās dimensijās, bet ne perfekti trešajā. Tomēr viņi ir bijuši ļoti veiksmīgi. Zvanīja kompānija Luxtera Piemēram, ir izstrādājis veidus, kā izveidot uz fotoniskiem kristāliem balstītus optiskos savienojumus tieši uz datoru mikroshēmām. Optisko signālu tuvināšana datora procesoriem palīdz paātrināt datu pārraidi, un fotonisko kristālu izmantošana palīdz saglabāt šo saišu izmēru kompaktu. Luminus ir koncentrējies uz gaismas diodēm, kuru kristāli palīdz uzlabot gaismas atdevi, padarot šīs ierīces spilgtākas un energoefektīvākas.
Tomēr trīsdimensiju fotoniskie kristāli padarītu vēl labākas optiskās ierīces. Galvenā priekšrocība ir tā, ka jūs patiešām varat kontrolēt gaismas izplatīšanos visos dimensijās, saka Pols Brauns , Ilinoisas Universitātes materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Brauns vada darbu pie trīsdimensiju fotoniskajiem kristāliem, un viņa grupa strādā arī pie saules elementu izgatavošanas no kristāliem.
Šo konstrukciju izveidošana ir sarežģīta. Fotonisko kristālu struktūras atšķiras, taču tās bieži tiek izgatavotas, materiālā urbjot nanomēroga caurumus, stieņus un citus elementus. Plakanas materiāla plātnes noformēšana ar nepieciešamajām nanomēroga struktūrām, lai izveidotu divdimensiju fotonisku kristālu, ir salīdzinoši vienkāršs process. Ir daudz grūtāk iegūt šādu rakstu biezā materiāla gabalā, lai izveidotu trīsdimensiju struktūru, nesabojājot materiālu. Un visnoderīgākos fotoniskos kristālus — tos, kas spēj aktīvi pārveidot elektriskos signālus uz optiskajiem signāliem, papildus precīzi manipulējot ar gaismas plūsmu — ir visgrūtāk izgatavot, jo procesa laikā tiek ieviesti materiālie trūkumi. Šī gaismas un elektrības pārveidošana ir būtiska LED, saules baterijās un optisko datu savienojumos skaitļošanai.
Ilinoisas Universitātes grupa izgatavoja augstas kvalitātes trīsdimensiju fotoniskus kristālus, audzējot tos uz veidnes no apakšas uz augšu, nevis mēģinot ievietot nanomēroga rakstus materiāla gabalos. Pētnieki sāk, veidojot veidni, iepakotas nanomēroga sfēras. Pēc tam viņi ievieto veidni tvaika nogulsnēšanas kamerā un plūst virknē gāzu, kas satur galliju un arsenīdu. Materiāli tiek nogulsnēti uz veidnes un aug ap to. Tas ir tāpat kā galda tenisa bumbiņu kastes piepildīšana ar ūdeni: materiāls, kas ieplūst iekšā, aizpilda atstarpes starp sfērām. Pēc tam tās ķīmiski noņem sfēras, atstājot aiz sevis trīsdimensiju fotonisku kristālu — kristāliskā gallija arsenīda gabalu, kurā ir nanomēroga caurumi.
Gallija arsenīdu izmanto, lai izgatavotu optiskas ierīces, piemēram, fotodetektorus, taču iepriekš nebija iespējams to izgatavot trīsdimensiju fotoniskos kristālos. Ilinoisas pētnieki ne tikai spēja no materiāla izgatavot trīsdimensiju fotonisku kristālu, bet arī varēja to izmantot, lai izveidotu LED, ko darbina elektriskā strāva.
Es ilgi gaidīju, kad kāds paveiks to, ko [Ilinoisas grupa] ir paveikusi, saka Eli Jablanovičs , elektrotehnikas un datorzinātņu profesors Kalifornijas Universitātē Bērklijā. Astoņdesmito gadu beigās Jablanovičs veica dažus pamatdarbus pie fotoniskajiem kristāliem, virzot ideju, ka daži modeļi var izstarot gaismu ļoti kontrolētā veidā, kas ir noderīgs LED.
Jablanovičs saka, ka ir grūti paredzēt, kas un kad radīsies šī darba rezultātā, jo neviens iepriekš nav izgatavojis praktiskus trīsdimensiju fotoniskus kristālus. Viņš saka, ka dažus no pārliecinošākajiem lietojumiem jau aizpilda divdimensiju fotoniskie kristāli. Ja trīsdimensiju fotonisko kristālu izgatavošana kļūst tikpat vienkārša kā to plakanu līdzinieku izgatavošana jau izstrādājumos, tie vienmēr būtu pirmā izvēle, saka Jablanovičs.
Braun saka, ka tehnoloģija, iespējams, joprojām ir vairāku gadu attālumā no komercializācijas.