Фотонные кристаллы.

Наноразмерный светодиод, очевидно, будет индуцировать крайне малую мощность. Выход из положения - конгломерат наноструктур, называемый «фотонные кристаллы» (Photonic Lattices). Это материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением диэлектрической проницаемости ε и, следовательно, коэффициента преломления n, в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Обычно одним из материалов является воздух с ε = 1. Периодичность может быть реализована с помощью пористых структур, решеток из нанопроволок (как 2D, так и 3D), молекулярных кристаллов.

Рис. Схематичная структура одномерных (1D), двумерных (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов.

Рис. Изображение фотонного кристалла на основе пористой окиси алюминия (Al₂O₃).

Рис. Изображение фотонного кристалла на основе нанопроволок кремния (слева) и вольфрама (справа).

Рис. Изображение фотонного кристалла кубической структуры из микросфер полистирола.

.

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). Это обстоятельство обуславливает существование в таких структурах модуляции коэффициента преломления n с периодом, сопоставимым с длинами волн излучения. Имеет место «аномальная» дисперсия света.

Рис. Схема дисперсии света на обычной призме (слева) и на фотонном кристалле (справа).

Фотонные кристаллы перспективны для создания светодиодов с высоким КПД, новых типов лазеров с низким порогом генерации, световых волноводов, оптических переключателей, фильтров, а также устройств цифровой вычислительной техники.

Канадская компания Opalux анонсировала свою новую разработку - технологию производства гибких дисплеев P-Ink, которая позволяет получить качество изображения заметно выше, чем у существующих аналогов. Разработчики заявляют, что их дисплеи в три раза ярче, чем классические решения, в которых пиксель состоит из трёх разноцветных элементов. По их технологии можно делать экраны практически любого размера, от дисплеев мобильных устройств до рекламных щитов. В разработке Opalux используются так называемые фотонные кристаллы - сферические частицы кремния размером около 200 нанометров. Массив фотонных кристаллов встраивается в подложку из упругого полимерного материала. При помощи специальных прозрачных электродов расстояние между кристаллами изменяется и вместе с ним меняется длина волны света, который будет отражаться от этого места поверхности. Таким образом, для отражения света нужной длины волны можно задействовать всю площадь новой электронной бумаги.

Рис. Дисплей на фотонных кристаллах.

Лазеры.

Лазеры – источники когерентного (одночастотного, очень узкополосного) излучения. Узкая полоса нужна для того, чтобы сконцентрировать возможно большую энергию на небольшой площади. Достижение высокой плотности энергии способствует также малая расходимость луча. Поскольку требуются различные длины волн и мощности излучения, появилось много конструктивных реализаций.

Рис. Конструктивные реализации лазеров: газовые на двуокиси углерода (Carbon Dioxide), аргоно – ионный (Argon-Ion), гелий – неоновый (Helium - Neon), твердотельные сапфировый (Sapphire) и рубиновый (Ruby), полупроводниковый (Semiconductor).

В запрещенной зоне основного материала формируется с помощью примеси разрешенный метастабильный уровень. Его обычно называют инверсионным уровнем. Он нужен для того, чтобы там скапливались возбужденные после воздействия электрической энергией (накачки) электроны. На этапе рекомбинации окажется много электронов с близкими значениями изменения энергии ΔЕ, и, следовательно, частоты излучения ν. Так достигается узкая полоса частот излучения. Для получения сфокусированного луча, например, в рубиновом лазере, цилиндрический резонатор помещают внутри катушки накачки (Flash Tube). Цилиндрическая поверхность сделана шероховатой и закрыта корпусом (Shielding Tube). Это экранирует от случайного излучения. Торцы резонатора полируются. На торцы наносится отражающее зеркальное покрытие (Reflecting Mirror). Во втором торце резонатора в зеркальном покрытии оставлен просвет, который пропускает только сфокусированный луч нужного направления (Laser Beam).

Рис. Рубиновый лазер.

Рис. Схема формирования сфокусированного лазерного луча в объемном резонаторе (Laser Cavity).

Газовые и твердотельные лазеры громоздки, но индуцируют излучение большой мощности, необходимое для передачи информации на большие расстояния, а также для большого числа технологических процессов.

Рис. Структура полупроводникового лазера с эллиптическим выходным сигналом.

С использованием тонких гетеропереходов реализован вертикальный лазер (Vertical Cavity Surface Emmiting Laser – VCSEL (а)

(б) (в)

Рис. Многослойная структура (а), ход лучей вертикального лазера (б), изображение VCSEL (в).

Фотолюминесцентный лазер с использованием нанотрубок ZnO активируется широкополосным излучением. Выходной сигнал нанолазера очень узкополосен.

Рис. Вертикальные нанолазеры с использованием нанотрубок ZnO: структура, изображение, график спектра излучения.

Лазеры большой мощности используются для передачи информации на значительные расстояния, для реализации термического эффекта в принтерах, технологических операций изготовления отверстий, литографии, осаждения тонких слоев.

Длина волны излучения подбирается по критериям: химического и физического воздействия (например, для реализации фотохромного эффекта), минимального диаметра луча. Так в Blu-Ray для записи и воспроизведения диска вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер (blue-violet laser). У синего лазера длина волны составляет 405 нм, что значительно меньше длины волны красного лазера (650 нм). Меньшая длина волны - соответственно меньшая интерференция отраженного луча, соответственно можно сделать дорожку данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя.

Сфокусированность лазерного луча важна в системе позиционирования атомного туннельного микроскопа (АТМ): чем тоньше луч, тем точнее определяется точка исследования и на сколько опустился зонд (Tip) АТМ до появления туннельного тока. Луч лазера (Laser) отражается от площадки над зондом и принимается одним из секторов А или В фотодетектора (Photodetector). По результатам вычисления вырабатывается сигнал управления пьезоэлектрического основания сканнера (Piezoelectric Scanner). Перемещение опоры производится до тех пор, пока отраженный луч не попадет на линию раздела секторов. (Типичное построение следящего привода)

Рис. Система позиционирования атомного туннельного микроскопа.

Поглощение. Фотоэффекты.

Фотопроводимость.

Энергия фотонов передается электронам вещества. В результате поглощения световой энергии полупроводниками наблюдается ряд фотоэффектов. При внешнем фотоэффекте энергии электронам хватает, чтобы покинуть объем вещества:

Е_е > Е_вак.

При внутреннем фотоэффекте Е_е < Е_вак электроны остаются в объеме вещества, но переходят из валентной зоны в зону проводимости. При этом увеличивается проводимость полупроводника _ф по сравнению с темновой проводимостью _т , обусловленной тепловым возбуждением носителей. Фотон должен обладать энергией h , большей ширины запрещенной зоны Е_g или энергии активации примесных атомов  Е_Д:

h > E_g , h >  Е_Д.

I - Фотоны, возбуждая электроны, генерируют свободные носители заряда, что приводит к увеличению скорости рекомбинации. Поскольку генерация преобладает над рекомбинацией, фотопроводимость растет, начиная от значения темновой

проводимости _т .

II - По окончании переходного процесса генерация и рекомбинация уравновешены. Фотопроводимость достигает своего стационарного значения _ф .

III - После прекращения облучения из-за большого числа носителей заряда рекомбинация происходит постепенно за время  ( - время жизни носителей).

И нтенсивность J

и злучения

t

П роводимость 

_ф

_т I II III

t



Рис. Временная диаграмма проводимости.

Светочувствительность фотоприемников

Ф ~ _ф / J.

_ф

I II III _т

J

Рис. Зависимость фотопроводимости от интенсивности излучения.

I - Светочувствительность максимальна.

II - Фотопроводимость увеличивается, но светочувствительность становится меньше.

III - Слишком высокая интенсивность излучения интенсифицирует рекомбинацию носителей заряда (столкновения в КР). Фотопроводимость падает.

У фотополупроводников наблюдается частотная зависимость проводимости. Это позволяет формировать цветофильтры, используемые для автоматического распознавания цвета (цветовая маркировка, цветовой - спектральный - отклик био- и хемосенсоров).

Рис. График частотной зависимости фотопроводимости для различных полупроводников.

Поскольку проводимость полупроводников зависит от интенсивности излучения, их используют для регистрации светового излучения, а также потока электронов и  - частиц. Такие полупроводники называются фоторезисторами. Наибольшей чувствительностью (крутизной зависимости  = f ( J ) ) обладает сернистый кадмий Cd S c отношением _{ф max} / _n = 10⁵ ... 10⁶ . Фоторезисторы используются в качестве датчиков излучения.

Фотодиоды. Материалами, из которых изготавливают фотодиоды, служат Ge, Si, Ga, As, Hg, Cd, Te и др.

Фотодиод

Различают 2 режима работы фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на рn - переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через рn - переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс. Аналогичные функции, но с большей чувствительностью, выполняют транзисторы.