Министерство образования и науки РФ
Новосибирский государственный технический университет
Кафедра ОИТ
Курсовая работа по дисциплине «фотонные кристаллы»
«Методы и приборы для исследования фотонных кристаллов»
Факультет: ФТФ
Группа: ФФ-01
Студент: Буланкин М.
Преподаватель: Пен Е. Ф.
Новосибирск 2012
Оглавление
Введение_____________________________________________________________3
Электронная микроскопия______________________________________________ 3
Конфокальная микроскопия_____________________________________________5
Атомно-силовая микроскопия___________________________________________ 7
Спектроскопия________________________________________________________10
Заключение__________________________________________________________ 11
Используемые ресурсы________________________________________________ 11
2 Введение
Фотонные кристаллы (photonic crystals) – материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Это интенсивно развивающееся направление физики твердого тела связано с возможностью создания светодиодов с высоким КПД, новых типов лазеров с низким порогом генерации, световых волноводов, оптических переключателей, фильтров, а также устройств цифровой вычислительной техники на основе фотоники. В общем случае, фотонный кристалл – это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления. Известно, что кристаллы всех типов могут рассеивать некоторое излучение при условии, что параметры решетки кристалла имеют тот же порядок, что и длина волны излучения. Аналогичным образом, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны получили название “фотонные запрещенные зоны” (photonic band gap, PBG)
В связи с наличием непростой структуры, множества характеристик, а так же присутствием дефектов в фотонном кристалле, существует необходимость изучать его свойства различными методами. Существует несколько таких методов для изучения, а именно: электронная микроскопия, конфокальная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, спектроскопия.
Рассмотрим подробнее эти методы.
Электронная микроскопия
Электронная микроскопия - позволяет с помощью электронного микроскопа исследовать микроструктуру тел при увеличениях до многих сотен тысяч раз (вплоть до атомно-молекулярного уровня), изучить их локальный состав и локализованные на поверхностях или в микрообъёмах тел электрические и магнитные поля (микрополя). Кроме этого, электронная микроскопия - это самостоятельное научное течение, направленное на:
Усовершенствование и разработку новых электронных микроскопов и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним;
Разработку методик препарирования образцов, исследуемых в электронных микроскопах;
Изучение механизмов формирования электронно-оптических изображений;
Разработку способов анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с помощью электронных микроскопов.
К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь:
Необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения,
Отсутствие возможности просмотра больших образцов,
Достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
Электронный микроскоп — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 В ÷ 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000 ÷ 10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля; широко применяется в научных исследованиях строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела (исследование фотонных кристаллов) и др.
Существует три основных вида электронных микроскопов:
Обычный просвечивающий электронный микроскоп; ОПЭМ (появился в 1930-х годах)
Растровый (сканирующий) электронный микроскоп; РЭМ, рис 1 (1950-е годы)
Растровый туннельный микроскоп; РТМ, рис 2 (1980-е годы)
3
Рис 1 Рис 2
Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.