Блог

Jul 07, 2023

Высокий

Scientific Reports Volume 6, Номер статьи: 21818 (2016) Цитировать эту статью 4131 Доступов 36 Цитирований 5 Подробности альтметрической метрики Фотонно-кристаллические материалы основаны на периодической модуляции

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 21818 (2016) Цитировать эту статью

4131 Доступов

36 цитат

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотонно-кристаллические материалы основаны на периодической модуляции диэлектрической постоянной в масштабах длины, сравнимых с длиной волны света. Эти материалы могут иметь фотонные запрещенные зоны; области частот, для которых распространение электромагнитного излучения запрещено из-за обеднения плотности состояний. Чтобы продемонстрировать полную запрещенную зону, 3D-ПК должны иметь пороговый контраст показателя преломления, который зависит от кристаллической структуры. В случае так называемых поленных фотонных кристаллов этот порог сравнительно невелик и составляет примерно 1,9 для прямой структуры. Поэтому востребованы прямые или перевернутые поленницы, изготовленные из материалов с высоким показателем преломления, таких как кремний, германий или диоксид титана. Здесь мы показываем, что, сочетая многофотонную литографию и осаждение атомных слоев, мы можем добиться прямой инверсии полимерных шаблонов в фотонные кристаллы на основе TiO2. Полученные структуры демонстрируют замечательные оптические свойства в ближней инфракрасной области с почти идеальным коэффициентом зеркального отражения, провалом пропускания, близким к пределу обнаружения, и длиной Брэгга, сравнимой с постоянной решетки.

Несмотря на то, что трехмерные фотонные кристаллы (ПК), изготовленные из материалов с высоким показателем преломления, таких как диоксид титана1,2 и кремний3, были изготовлены, например, путем последовательного распыления и формирования рисунка электронным лучом или из опаловых шаблонов4,5,6, инфильтрация полимерный шаблон с литографической структурой, по-видимому, является особенно эффективной стратегией для получения больших трехмерных ПК7,8 и для встраивания функциональных субъединиц для применения в оптических схемах или устройствах9,10,11. Тетро и др. сообщил о первой кремниевой копии такого шаблона поленницы с использованием техники двойной инверсии кремния12. В качестве промежуточной структуры использовался ПК с обратной поленницей SiO2, который впоследствии был пропитан кремнием с помощью высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы (CVD). Позже та же группа сообщила об изготовлении кремниевых ПК с обратной поленницей7. В данном случае вокруг полимерных стержней шаблона была нанесена оболочка из SiO2 для сохранения структуры бревна в процессе осаждения кремния. С помощью этих и родственных подходов были получены кремниевые полые стержневые ПК13, волноводы11, гипероднородные14 и ПК с полной запрещенной зоной на телекоммуникационных длинах волн около 1,54 мкм8. Другим хорошо известным материалом с высоким показателем преломления, который широко использовался в прошлом, является диоксид титана (TiO2, диоксид титана)1,6,15. Преимуществами титана по сравнению с кремнием являются его прозрачность в видимой и средней инфракрасной области, а также возможность химической влажной обработки. Кроме того, титан можно осаждать при умеренных температурах около 100 °C или ниже. Это делает диоксид титана особенно подходящим материалом для непосредственной пропитки трехмерных полимерных каркасов без необходимости каких-либо дополнительных этапов пропитки, которые имеют тенденцию приводить к ухудшению структуры.

В этой работе мы представляем изготовление, структурные и оптические характеристики ПК из титана с полыми каналами и обратными поленницами. Наша работа сообщает о двух основных достижениях в этой области. Во-первых, мы сообщаем об изготовлении ПК из поленьев с высоким индексом за один этап пропитки. Это облегчает, как мы покажем, изготовление конструкций и обеспечивает исключительную структурную целостность и качество поверхности. Во-вторых, мы представляем прямое измерение брэгговской длины LB в наших ПК с высоким показателем преломления. Длина Брэгга является ключевым параметром для характеристики материалов с фотонной запрещенной зоной, поскольку она определяет масштаб длины, которую затухающая волна может проникнуть в материал ПК. По существу, он также устанавливает нижнюю границу для проектирования интегрированных структурных элементов, таких как изгибы и полости. Последние должны быть разделены несколькими длинами Брэгга, чтобы предотвратить перекрестные помехи или туннелирование. Несмотря на важность брэгговской длины, в литературе к настоящему времени опубликовано очень мало экспериментальных данных о материалах с высоким показателем преломления. В ряде исследований длина Брэгга для случая материалов с низким индексом находится вблизи соответствующих псевдощелей16,17,18. Здесь мы демонстрируем, что благодаря точности процесса изготовления наших материалов мы можем воспроизводимо изготавливать фотонные кристаллы с высоким показателем преломления с различной толщиной слоев от 12 до 32 слоев (одна элементарная ячейка состоит из четырех слоев). Измеряя минимум провала пропускания в зависимости от толщины слоя ПК, мы непосредственно определяем брэгговскую длину LB для одной заданной ориентации решетки.