Реферати

Реферат: Виготовлення фотонних кристалів

Станово-представницька монархія в Росії. МОСКОВСЬКА ДЕРЖАВНА ЮРИДИЧНА АКАДЕМІЯ КАФЕДРА ІСТОРІЇ ДЕРЖАВИ І ПРАВА КУРСОВА РОБОТА Студента 1 курсу московського заочного факультету

Кооперативний ідеал і соціалістична ідея. Споживча кооперація з'явилася зовсім непередбаченим результатом того суспільного руху, що зв'язується з ім'ям Оуена.

Генріх Белль. енрих БЕЛЛЬ (Heinrich BOLL) (21.12.1917-16.07.1985) Генріх Белль народився в 1917 році в Кельні і був восьмою дитиною в родині. Його батько, Віктор Белль, потомствений столяр-червонодеревець, а предки з боку матері - рейнські селяни і броварники.

Ліричні відступи в романі А. С. Пушкіна Євгеній Онєгін. "Євгеній Онєгін" - перший реалістичний роман у російській літературі, у якому " відбилося століття і сучасна людина зображена досить вірно". А. С. Пушкін працював над романом з 1823 по 1831 роки.

Конкурентноздатність товару. МІНІСТЕРСТВО ЗАГАЛЬНОГО І ПРОФЕСІЙНОГО УТВОРЕННЯ РФ МІЖНАРОДНА АКАДЕМІЯ ПІДПРИЄМНИЦТВА КРАСНОЯРСЬКА ФІЛІЯ ФАКУЛЬТЕТ КОМЕРЦІЇ КУРСОВА РОБОТА

Реферат

Виготовлення фотонних кристалів

Створення трьохмірного фотонного кристала у видимому інтервалі довжин хвиль залишається протягом останніх десяти років однієї з головних задач матеріалознавства, для рішення якої більшість дослідників зосередилися на двох принципово різних підходах: використання темплатних методів, що створюють передумови для самоорганизації наносистем, що синтезуються, і нанолитографії.

Серед першої групи методів найбільше поширення отримали такі, які в якості темплатов для створення твердих тіл з періодичною системою часів використовують монодисперсние колоїдні сфери. Ці методи дозволяють отримати фотонні кристали на основі металів, неметалів, оксидов, напівпровідників, полімерів, і т. д. Всі вказані методи включають декілька загальних етапів (мал. 22).

Рис. 22. Схема темплатного синтезу фотонних кристалів

На першому етапі, близькі по розмірах колоїдні сфери рівномірно "упаковують" у вигляді трьохмірних (іноді двомірних) каркасів, які надалі виступають в якості темплатов (мал. 22а). Для упорядкування сфер крім природного (спонтанного) осадження використовуються центрифугирование, фільтрування з використанням мембран і електрофорез. При цьому, у разі використання кварцових сфер матеріал, що виходить є синтетичним аналогом природних опал.

На другому етапі, пустоти в темплатной структурі просочують рідиною, яка згодом при різних фізико-хімічних впливах перетворюється в твердий каркас. Іншими методами заповнення речовиною пустот темплата є або електрохімічні методи, або метод CVD (мал. 22б).

На останньому етапі, темплат (колоїдні сфери) видаляють, використовуючи в залежності від його природи процеси розчинення або термічного розкладання (мал. 22в). Структури, що Виходять часто називають зворотними репліками початкових колоїдних кристалів або "зворотними немилостями".

Очевидно, що сфери, що використовуються в якості темплатов для формування пористих твердих тіл, повинні змочуватися прекурсорами, що наносяться, а також повинні бути легко видаляються в умовах, при яких каркасная структура, що створюється не руйнується. Крім того, щоб кінцевий пористий матеріал володів фотонними властивостями, сфери повинні мати вузький розподіл по розмірах: їх діаметри не повинні відрізнятися від середнього розміру більш ніж на 5-8%.

Темплатний каркас, що складається з впорядкованих монодисперсних колоїдних частинок, в літературі прийнято називати "колоїдним кристалом" (colloidalcrystal) (див. рис 22а). Як правило, для їх формування використовуються кварцові або полімерні латексние сфери, хоч в літературі описані випадки застосування емульсионних капіж, золота і монодисперсних напівпровідникових нанокристаллов.

Для практичного використання бездефектние області в фотонному кристалі не повинні перевищувати 1000 мкм2. Тому проблема упорядкування кварцових і полімерних сферичних частинок є однією з найважливіших при створенні фотонних кристалів.

Осадження колоїдних частинок тільки під дією сил гравітації моделює природний механізм утворення природних опал. Тому цей метод був детально вивчений вже досить давно. У процесі тривалого відстоювання відбувається розділення частинок по розмірах, що дозволяє отримувати добре впорядковані зразки синтетичних опал, навіть якщо кварцові сфери, що використовуються мають значний розкид по розмірах.

Однак, природне осадження - дуже повільний процес, як правило, що вимагає трохи тижнів або навіть місяців, особливо в тому випадку, коли діаметр сфер не перевищує 300 нм. Центрифугирование дозволяє значно прискорити процес формування колоїдних кристалів. Однак, отримані в таких умовах матеріали впорядковані гірше, оскільки при високій швидкості осадження розділення частинок по розмірах не устигає статися. При цьому, як було показано в роботі, на якість опал, що виходять сильний вплив надає швидкість центрифугирования.

Так, при осадженні сферичних кварцових частинок діаметром 375-480 нм найбільш добре впорядковані колоїдні кристали були отримані при центрифугированії з швидкістю 4000 про./мін, при швидкостях 3000 і 5000 про./мін зразки були впорядковані значно гірше.

Рис. 23. Вплив електрофореза на осадження великих кварцових сферичних частинок діаметром 870 нм: а) - електрофорез не застосовується; б) - електрофорез застосовується.

Метод природного осадження пов'язаний з рядом складностей. Якщо розміри кварцових сфер досить малі ( < 300 нм), вони можуть не утворити осадка, оскільки енергія теплового руху стає порівнянною з енергією гравітаційного поля. З іншого боку, при осадженні великих сфер (діаметром > 550 нм) швидкість їх осадження настільки велика, що отримати впорядковані масиви стає скрутно, а при подальшому збільшенні розмірів сфер - практично неможливо.

У зв'язку з цим для збільшення швидкості седиментація малих сфер і зменшення - великих використали електрофорез. У цих експериментах вертикальне електричне поле (в залежності від його напряму) в одних випадках "збільшувало", а в інших - "знижувало" силу тягаря, діючу на частинки. Як і очікувалося, чим повільніше проводили процес осадження, тим більше впорядкованими виходили зразки. Наприклад, в роботі було показано, що при природному осадженні кварцових частинок діаметром 870 нм формується колоїдний кристал з повністю невпорядкованою структурою (мал. 23а). Використання ж електрофореза дозволяє отримувати досить добре впорядкований матеріал (мал. 23б). При осадженні кварцових частинок діаметром 205 нм використання електрофореза значно збільшувало швидкість седиментація (від 0,09 у разі природного осадження до 0,35 мм/ч). У результаті колоїдний кристал утворювався не за 2 місяці, а менш ніж за два тижні, причому погіршення оптичних властивостей не відбувалося.

Іншим способом упорядкування колоїдних сфер є метод осадження на мембранах. Так, в роботах полімерні колоїдні кристали були отримані фільтруванням суспензії, вмісної, в основному, латексние сфери діаметром 300-1000 нм, через рівну поликарбонатную мембрану з порами розміром ~100 нм, які затримували великі, пропускаючи розчинник і більш дрібні сфери.

Останнім часом велике поширення отримали метод упорядкування колоїдних сфер, пов'язаний з використанням капілярних сил. Показано, що кристалізація субмикронних частинок на межі меніска між вертикальною підкладкою і колоїдною суспензією по мірі випаровування останньою приводить до утворення тонкої, плоскої, добре впорядкованої структури. У той же час, вважалося, що використання цього методу для отримання колоїдних кристалів на основі частинок діаметром > 400 нм неможливо, оскільки осадження великих частинок під дією сили тягаря, як правило, відбувається швидше, ніж рух меніска вдовж підкладки внаслідок випаровування розчинника. Це створює певні проблеми для комерційних додатків методу: фотонні кристали в найважливішому для сучасних коштів зв'язку діапазоні довжин хвиль 1,3-1,5 мкм формуються на основі сфер з діаметрами в інтервалі 700-900 нм.

Цю проблему вирішили, застосовуючи градієнт температур, що ініціює конвекцію: конвекционние потоки вповільнюють седиментація, прискорюють випаровування і приводять до безперервного струму сферичних частинок до меніска (мал. 24). Так, використовуючи цей метод, вдалося добитися упорядкування кварцових сфер діаметром 0,86 мкм на силіконовий підкладці. Необхідно підкреслити, що матеріал структури, що отримується характеризувався значно меншою концентрацією точкових дефектів, а самі кварцові колоїдні кристали були значно крупніше, ніж вдавалося отримувати раніше.

Простий метод отримання колоїдних кристалів, що не вимагає екстремальних умов проведення експерименту: упорядкування полистирольних сферичних частинок що відбувається на поверхні води тільки за рахунок підйому температури суспензії до 90°C. В ході експерименту, латексние сфери діаметром 240 нм залишалися в розчині у зваженому стані при постійній температурі більш 2 місяців. Через безперервно протікаюче випаровування розчину, концентрація колоїдних частинок на його поверхні, мабуть, значно зростає, що приводить до їх самоорганизації (під дією капілярних сил) у впорядковані області.

Рис. 24. Метод упорядкування великих кварцових сфер на поверхні вертикальної підкладки, що використовує дію капілярних сил і градієнта температур.

Розрахунки показали, що густина "організованих" сфер стає менше густини води, тому вони не тонуть. У процесі подальшого випаровування води до первинного кластера влаштовується наступний впорядкований шар і т. д. Саме мала різниця між густиною води (1 г/см3) і полістиролу (1,04 г/см3) дозволяє отримувати колоїдні кристали на поверхні розчину. Дійсно, при експериментуванні з метанолом (що має значно меншу густину ρ = 0,79 г/см3), утворення впорядкованих структур не відбувається.

Методи, що використовують мимовільне формування фотонних кристалів

При мимовільному формуванні фотонних кристалів використовуються коллоидальние частинки (частіше за все використовуються монодисперсние силіконовий або полистереновие частинки, але і інші матеріали поступово стають доступними для використання по мірі розробки технологічних методів їх отримання), які знаходяться в рідині і по мірі випаровування рідини осаждаются в деякому об'ємі. По мірі їх осадження один на одну, вони формують трьохмірний фотонний кристал, і упорядковуються переважно в гранецентрированную або гексагональную кристалічні гратки. Цей метод досить повільний, формування фотонного кристала може зайняти тижні.

Інший метод мимовільного формування фотонних кристалів, званий стільниковим методом, передбачає фільтрування рідини, в якій знаходяться частинки через маленькі спори. Цей метод дозволяє сформувати фотонний кристал з швидкістю певною швидкістю течії рідини через пори, але при висиханні такого кристала утворяться дефекти в кристалі.

Можливий метод вертикального осадження, який дозволяє створювати високоупорядоченние фотонні кристали більшого розміру, ніж дозволяють отримати вишеописанние методи.

Вище вже зазначалося, що в більшості випадків потрібно великий констраст коефіцієнта заломлення в фотонному кристалі для отримання заборонених фотонних зон у всіх напрямах. Згадані вище методи мимовільного формування фотонного кристала чаші всього застосовувалися для осадження сферичних коллоидальних частинок силікону, коефіцієнт заломлення якого малий, а значить малий і констраст коефіцієнта заломлення. Для збільшення цього констрасту, використовується додаткові технологічні кроки, на яких спочатку простір між частинками заповнюється матеріалом з великим коефіцієнтом заломлення, а потім частинки витравляються

Методи труєння

Методи труєння найбільш зручні для виготовлення двомірних фотонних кристалів і є технологічними методами, що широко використовуються при виробництві напівпровідникових приладів. Ці методи засновані на застосуванні маски з фоторезиста (яка задає, наприклад, масив кіл), осажденной на поверхні напівпровідника, яка задає геометрію області труєння. Ця маска може бути отримана в рамках стандартного фотолитографического процесу, за яким слідує труєння сухим або вологим методом поверхні зразка з фоторезистом. При цьому, в тих областях, в яких знаходиться фоторезист, відбувається труєння поверхні фоторезиста, а в областях без фоторезиста - труєння напівпровідника. Так продовжується доти, поки потрібна глибина труєння не буде досягнута і після цього фоторезист змивається. Таким чином формується найпростіший фотонний кристал. Недоліком даного методу є використання фотолітографії, найбільш поширене дозвіл якої складає порядку одного мікрона. Фотонні кристали мають характерні розміри порядку сотень нанометров, тому використання фотолітографії при виробництві фотонних кристалів із забороненими зонами обмежено дозволом фотолитографического процесу. Проте, фотолітографія використовується. Частіше за все, для досягнення потрібного дозволу використовується комбінація стандартного фотолитографического процесу з літографією за допомогою електронного пучка. Пучки сфокусированних іонів (частіше за все іонів Ga) також застосовуються при виготовленні фотонних кристалів методом труєння, вони дозволяють видаляти частину матеріалу без використання фотолітографії і додаткового труєння. Сучасні системи використовуючі сфокусированние іонні пучки використовують так звану "карту труєння", записану в спеціальний форматах файлів, яка описує де пучок іонів буде працювати, скільки імпульсів іонний пучок повинен послати в певну точку і т. д. Таким чином, створення фотонного кристала за допомогою таких систем максимально спрощене - досить створити таку "карту труєння" (за допомогою спеціального програмного забезпечення) в якій буде визначена періодична область труєння, завантажити її в комп'ютер, керуючий установкою сфокусированного іонного пучка і запустити процес труєння. Для більшої швидкості труєння, підвищення якості труєння або ж для осадження матеріалів всередині витравлених областей використовуються додаткові гази. Матеріали, осажденние у витравлені області, дозволяють формувати фотонні кристали, з періодичним чергуванням не тільки висхідного матеріалу і повітря, але і висхідного матеріалу, повітря і додаткових матеріалів.

Голографічні методи

Голографічні методи створення фотонних кристалів базуються на застосуванні принципів голографії, для формування періодичної зміни коефіцієнта заломлення в просторових напрямах. Для цього використовується інтерференція двох або більш когерентних хвиль, яка створює періодичний розподіл інтенсивності електричного поля. Інтерференція двох хвиль дозволяє створювати одномірні фотонні кристали, трьох і більш променів - двомірні і трьохмірні фотонні кристали.

Інші методи створення фотонних кристалів

Однофотонная фотолітографія і двухфотонная фотолітографія дозволяють створювати трьохмірні фотонні кристали з дозволом 200нм і використовує властивість деяких матеріалів, таких як полімери, які чутливі до одне- і двухфотонному опромінюванню і можуть змінювати свої властивості під впливом цього випромінювання. Літографія за допомогою пучка електронів є дорогим, але вискоточним методом для виготовлення двумерних фотонних кристалів. У цьому методі, фоторезист, який міняє свої властивості під дією пучка електронів, опромінюється пучком в певних місцях для формування просторової маски. Після опромінювання, частина фоторезиста змивається, а частина, що залишилася використовується як маска для труєння в подальшому технологічному циклі. Максимальний дозвіл цього методу - 10нм. Літографія за допомогою пучка іонів схожа за своїм принципом, тільки замість пучка електронів використовується пучок іонів. Переваги літографії за допомогою пучка іонів над літографією за допомогою пучка електронів полягають в тому, що фоторезист більш чутливий до пучків іонів, чому електронів і відсутній "ефект близькості" ( "proximity effect"), який обмежує мінімально можливий розмір області при літографії за допомогою пучка електронів.