Microsisteme electromecanice (MEMS) Cristale fotonice Student: Ioniceanu Bogdan-Alexandru GRUPA:56RC
Introducere. Lumina influenţează vieţile noastre de zi cu zi în diverse moduri,acest lucru era greu de imaginat cu câteva decenii în urmă,dar lumina va juca un rol semnificativ în viitor, uşurând calea spre progrese în comunicaţiile prin fibră optică, în noi modalităţi de a practica medicina, biotehnologia, detecţia optică. Fotonica a devenit un domeniu important atât pentru ştiinţă cât şi pentru tehnologie,cuprinzănd fenomenele fizice şi tehnologiile asociate generării, transmisiei,manipulării, detectării şi utilizării luminii. Datorită dezvoltării continue a unor domenii cum ar finanotehnologia, ştiinţa materialelor, optica, etc., precum şi datorită dezvoltării rapide a tehnicilor de fabricare la scară micro/nano. Intr-o definiţie generală, cristalele fotonice cuprind structurile care au constanta dielectrică periodică in una, două sau trei dimensiuni, şi prezintă bandă interzisă. Această deosebire geometrică, combinată cu o varietate de materiale folosite implică un domeniu larg de metode de fabricare şi proceduri, care au tendinţa de a fi specifice pentru fiecare material in parte, depinzand insă şi de natura structurii ce urmează a fi fabricată. Istoric. Începând cu anul 1970 numarul componentelor electronice care pot fi încapsulate într-un microcip s-a dublat la fiecare 18 luni, conducand calculatoarele spre viteză dublă. În acești ani s-a pus întrebarea dacă sistemele de calcul care lucrau la o frecvență de 1 GhZ puteau evolua spre frecvențe mai mari.răspunsul
nu a întarziat în momentul când s-a făcut migrarea transmiterii semnalului prin unda luminoasă și nu prin electroni,lucru care a făcut posibilă realizarea de computere care lucrează la sute de terahertz,acest procedeu este posibil cu ajutorul structurilor fotonice. Prima structură cristalină fotonică a fost realizată prima dată în 1987 de către Eli Yablonovitch, la Institutul de cercetări în Comunicatii Bell, din New Jersey. Căţiva ani mai târziu în 1991, Yablonovitch şi colaboratorii săi au produs primul cristal fotonic realizând manual găuri cu un diametru de ordin mm într-un bloc de material cu indicele de refracţie de 3.6 Materialul cunoscut şi sub numele de yablonovit, opreşte propagarea microundelor în orice direcţie cu alte cuvinte, formează o bandă fotonică interzisă tri- dimensională. Alte structuri care au benzi interzise în domeniul microundelor şi al frecvenţelor radio sunt utilizate în mod curent pentru a obţine antene care emit direct spre utilizatorii de telefoane mobile. Pentru a crea cristale fotonice pentru echipamente optice, avem nevoie să folosim tehnici foarte performante de microfabricaţie a semiconductorilor cu un cost de producţie ridicat. Din acest motiv modelarea pe calculator a structurilor fotonice cristaline rămâne un domeniu foarte important al cercetării, pentru a preântampina erorile ulterioare de fabricaţie care sunt foarte scumpe. Descriere. Cristalele fotonice (cunoscute şi ca materiale cu benzi interzise, photonic band gap materials) sunt structuri periodice, având periodicitatea de ordinul lungimii de undă a undei electromagnetice (fig.1), care au o bandă interzisă ce blochează
propagarea luminii într-un anumit domeniu de frecvenţă. Această proprietate ne permite să controlăm lumina şi efectele produse, care altfel ar fi foarte greu de controlat cu optica convenţională. Comportarea cristalelor fotonice este descrisă de ecuaţiile lui Maxwell. Aceste cristale expuse la lumina alba devin colorate, fapt care nu se datoreaza absorbtiei luminii, nici nu este cauzata de pigmenti, ci este un fel de culoare fizica. Fig.1 Regimurile de operare ale tehnologiilor
Fig.2 Drumul undei electromagnetice cu lungimea λ printr-o structură periodică având constanta rețelei egală cu a Atomii sau moleculele sunt inlocuiţi prin medii macroscopice avand constante dielectrice diferite, iar potenţialul periodic este inlocuit de o funcţie dielectrică periodică (mai exact avem un indice de refracţie periodic). Dacă constantele dielectrice ale materialelor sunt suficient de diferite şi dacă absorbţia luminii de către materiale este minimă, atunci interferenţa intre undele transmise şi reflectate la diverse interfeţe generează benzi permise şi interzise pentru fotoni, analoage benzilor energetice pentru electroni. Pentru formarea benzilor fotonice este necesar ca periodicitatea spaţială a cristalului fotonic să fie de ordinul lungimii de undă a luminii. Banda interzisă fotonică defineşte o serie de frecvenţe pentru care lumina nu poate să se propage in cristal. O consecinţă a structurii benzii de energie interzisă fotonică este posibilitatea apropierii de zero a vitezei de grup, incetinind astfel lumina in cristalul fotonic Se pot proiecta şi fabrica cristale fotonice prezentand defecte punctiforme sau liniare şi cu benzi interzise fotonice pentru anumite intervale de frecvenţe. De exemplu, ghidurile de undă metalice şi cavităţile sunt folosite pentru controlul
propagării microundelor, dirijand şi respective confinand campul electromagnetic. În acelaşi mod, acelaşi tip de defecte realizate in structuri periodice ne oferă posibilitatea controlului undelor electromagnetice din domeniul infraroşu sau vizibil. Se pot fabrica cristale fotonice de o anumită geometrie şi cu dimensiuni de ordinul milimetrilor pentru controlul microundelor, sau de ordinul micronilor pentru controlul radiaţiei din infraroşu. A trebuit să mai treacă un deceniu pentru a fabrica cristale fotonice care lucrează în domeniul infraroşu apropiat (780 3000 nm) şi în domeniul vizibil (450 750 nm). Principala provocare a fost găsirea materialelor şi a tehnicilor de procesare potrivite pentru a fabrica structuri care sunt de aproape 1000 de ori mai mici decât cristalele fotonice pentru microunde. O estimare riguroasă a spaţiului dintre găurile de aer (sau dimensiunea reţelei) este dată de lungimea de undă a luminii imparţită la indicele de refracţie al materialului dielectric. Problema în obţinerea structurilor mici este compoziţia materialului, pentru că este mai bine pentru o bandă fotonică interzisă să se formeze în dielectrici cu indice de refracţie mare, care reduc semnificativ dimensiunea spaţiului dintre punctele reţelei. De exemplu, presupunem că dorim să creăm un cristal fotonic care poate radia în IR apropiat cu lungimea de unda de 1 μm într-un material cu indicele de refracţie 3.0. Am avea de creat o structură în care golurile de aer să fie separate la distanţa de 0.3 μm ceva extrem de greu de realizat. Dacă scara ar fi de 1000 de ori mai mică, am putea construi o structură de tip atom-la-atom folosind o reacţie chimică; dar dacă scara ar fi de 1000 de ori mai mare putem construi mecanic acea structură, conform afirmaţiilor lui Yablonovitch şi a colaboratorilor săi. Tipuri de cristale.
Cristalele fotonice sunt impărţite după periodicitatea straturilor periodice din care sunt alcătuite in: uni-, bi- şi tri-dimensionale, aşa cum se observă in figură. Cel mai simplu cristal fotonic este cristalul unidimensional (1-D), format din două materiale care alternează periodic pe o direcţie. In mod similar, intr-un cristal fotonic bidimensional constantele dielectrice alternează pe două direcţii, in timp ce cristalul fotonic tri-dimensional oferă un control complet al radiaţiei electromagnetice, datorită periodicităţii pe toate cele trei direcţii. Cristale fotonice unidimensionale.
În cazul în care mediul stratificat constă din straturi subţiri alternante, având valori diferite ale indicilor de refracţie, unde axa x este normală la interfaţă şi L este perioada, distribuţia câmpului electric, respectv magnetic, pentru o undă care se propagă în planul x-z poate fi scrisă (Teorema Floquet): unde: - β este constanta de propagare pe direcţia z, care ia valori pozitive dacă unda electromagnetică se propagă de-a lungul direcţiei z pozitive, şi valori negative dacă unda electromagnetică se propagă în sens opus ; Porțiune dintr-un mediu periodic stratificat Relația de dispersie a unui cristal fotonic unidimensional:
Ecuația are soluții k0,k1,k2.kn dacă modulul parții drepte a ecuației este mai mic sau egal cu 1 și nu are soluții. Apariția intervalelor de frecvențe permise si interzise în structuri periodice stă la baza cristalelor fotonice și a dispozitivelor bazate pe aceasta. O unda incidentă în contact cu un material cu banda interzisă se reflectă parțial pe fiecare subsrat al structurii. Undele reflectate sunt in fază. Undele reflectate se unesc cu unda incidentă și produc o undă care nu trece prin material. Pentru o undă aflată în afara benzi interzise, undele reflectate nu sunt în fază și se anulează una pe cealaltă,lumina se propagă prin material doar ușor atenuată.
Cristale fotonice bi-dimensionale Cristalele fotonice bidimensionale sunt structuri periodice pe două direcţii şi omogene pe acea de-a treia direcţie. Tratarea teoretică se bazează, ca şi încazul, pe ecuaţiile lui Maxwell. Mai mult, ecuaţiile valorilor proprii pot fi mult simplificate dacă se consideră că vectorul de undă kr este paralel faţă de planul bidimensional. În acest caz, structura dielectrică este uniformă pe direcţia z. Pentru a putea confina lumina care se propagă într-un cristal fotonic bidimensional în trei dimensiuni, se fabrică un cristal fotonic bidimensional cu înălţime finită, numit bloc cristalin fotonic (photonic crystal slab). O astfel de structură poate confina lumina vertical în interiorul blocului prin intermediul mecanismului reflexiei totale interne, cunoscut sub numele de index guiding. În acest caz, apar doi parametrii care influenţează existenţa benzii fotonice interzise: 1) structura trebuie să prezinte simetrie de tip oglindă astfel încât modurile TE şi TM să poată fi considerate separat; 2) înălţimea blocului nu trebuie să fie prea mică (modurile vor fi slab confinate), înălţimea ideală fiind la jumătate din lungimea de undă.
Cristale fotonice tri-dimensionale Cristalul fotonic tridimensional este obţinut printr-o singură procedură de decapare electrochimică. Cristalul fotonic tridimensional de tip opal, cu câteva sute de micrometri grosime, este creat cu metoda depunerii vertical(încălzire cu o viteză de creştere a temperaturii de 2 C / minut) a sferelor de polistiren cu diametrul de 220 nm. A fost realizat în laboratorul de Cercetări de Fizică Aplicată din Budapesta în cadrul unui program de parteneriat cu această Instituţie. Prin examinarea detaliată ale mostrelor, cu microscop optic, în lumină reflectată şi în lumină refractată am observat prezenţa poluării şi o ordonare în structura cristalului. Modul producerii nanostructurilor este construcţia de tip auto-organizator, adică fără intervenţia omului. Acest proces deosebit stă la baza unor cercetări teoretice şi la modelarea digitală a acestora.
Structuri ale cristalelor fotonice tri-dimensionale: - sfere intr-o rețea de diamante: sferele dielectrice aranjate in rețea de diamante au dus la formarea primului cristal fotonic cu o bandă interzisă completă. Acesta a fost descoperit cand s-au introdus sfere în plus (roșu) în centrul cubului rețelei. - Yablonovite
- Woodpile Metode de obținere. Tehnica de litografie. Conceptul de fotolitografie apare pentru prima dată in literatura de specialitate in secolul al 17-lea, fiind utilizat in aplicaţii de imprimare cu cerneală. Cu toate că tehnicile şi aplicaţiile litografiei sau diversificat odată cu trecerea anilor, definiţia acesteia a rămas aceeaşi: litografia constituie procesul de transfer al unei structuri dintr-un mediu in altul. In funcţie de rezultatul dorit,litografierea se realizează prin tehnici diferite ce pot fi clasificate in funcţie de echipament, natură şi agent, care induc procesul, fenomenul, interacţia sau reacţia care are loc. Una dintre tehnicile cele mai folosite este litografia cu fascicul electronic (EBL), regăsindu-se in literatura de specialitate incă de la sfarşitul anilor 60.Cel mai bun argument pentru folosirea acesteia versus fotolitografie este acela că fenomenul de difracţie este mult mai puţin semnificativ.
Principalele atribute ale litografiei cu fascicul electronic sunt: rezoluţie inaltă; este o tehnică flexibilă care poate fi folosită in realizarea unor multitudini de structuri pe o gamă largă de materiale; este o tehnică înceată comparativ cu fotolitografia; este o tehnică scumpă şi complicată echipamentele putând ajunge la un preţ de cumpărare de mai multe milioane de dolari, precum şi datorită necesităţii intreţinerii permanente. Microscop electronic de baleiaj JEOL JSM 6390A echipat cu modul de litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2.
Aplicații ale cristalelor fotonice. 1.Cristalele fotonice pot fi utilizate pentru a proiecta o oglindă care reflectă sub orice unghi o lungime de undă selectată a luminii. În plus, ele pot fi integrate într-un strat fotoemiţător pentru a crea un LED care emite lumina la o lungime de undă şi într-o direcţie date. 2.Utilizarea cristalelor fotonice in luarea amprentelor, spun cercetatorii, determina o acuratete mai ridicata a datelor obtinute, deoarece permite identificarea nu doar a amprentei propriu-zise ci si a formei degetelor. Când cristalul fotonic este supus presiunii, spațiile din structura lui se reduc, modificând lungimea luminii reflectate. Astfel culoarea se schimbă gradual pe masură ce se apasă, de la roșu, portocaliu, galben,verde,albastru. 3. In 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice au dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic care ghidează lumina prin difracție într-o structură periodică, și nu prin reflexie internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit disponibilă pe piață în 2000. Fibra din cristal fotonic poate fi proiectată să transfere putere mai multă decât fibra convențională, iar proprietățile dependente de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăți performanțele fibrei în anumite aplicații. 4.Alte aplicații: LASERUL nanoscopic Antenele RF Pigmentul ultra-alb Circuitele integrate fotonice
Concluzii. Provocările domeniului optică-fotoniăa în viitorul apropiat include găsirea de noi materiale pentru laseri,optica nelineară,fosfori,scintilatori,o cunoaștere mai bună a fenomenelor noi care apar la interacțiunea pulsurilor laser de mare intensitate cu materia,studierea de noi procese optice la nivel micro si nano, dezoltarea de aplicații in domeniile de perspectivă.cercetarile de frontieră în domeniul opticii și fotonicii includ materiale artificiale structurate cu proprietăți optice proiectate,creșterea eficienței laserilor până la limita fenomenului fizic,studiul cuplărilor exciton-poariton-fonon,bionanofotonica in materiale organice si anorganice.
Bibliografie 1. www.wikipedia.org 2. [Hiett 2002] Hiett, B. P., Photonic Crystal Modelling using Finite Element Analysis, PhD Thesis, University of Southampton, Faculty of Engineering and Applied Science, 2002 3. Nanotehnoogia in scoala 2012 4. Optica si Fotonica Prof. Dr. Tiberiu Tudor Universitatea Bucuresti Facultatea de Fizica 5. Photonic crystal: semiconductors of light by Eli Yablonovitch