Слайд 3ЛЕКЦИЯ 3
СВЕРХРЕШЕТКИ
И
ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ
![ЛЕКЦИЯ 3 СВЕРХРЕШЕТКИ И ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-2.jpg)
Слайд 4СВЕРХРЕШЕТКИ
Твердые тела с периодическим чередованием областей, в которых какая либо физическая
![СВЕРХРЕШЕТКИ Твердые тела с периодическим чередованием областей, в которых какая либо физическая](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-3.jpg)
величина, характеризующая свойства тела (магнитные свойства, электрические, упругих и т.д.), имеет разные значения. При этом размеры таких областей и расстояния между ними на несколько порядков больше межатомных расстояний.
Еще в 1962 г. академик Л.В.Келдыш рассмотрел теоретически сверхрешетку и особенности ее зонной структуры.
Слайд 5Модели сверхрешеток
разной размерности
![Модели сверхрешеток разной размерности](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-4.jpg)
Слайд 6Полупроводниковые сверхрешетки
В 1970 г. будущий нобелевский лауреат Л.Эсаки и Р.Цу создали
![Полупроводниковые сверхрешетки В 1970 г. будущий нобелевский лауреат Л.Эсаки и Р.Цу создали](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-5.jpg)
первую искусственную сверхрешетку – периодически расположенные в полупроводнике квантовые ямы и барьеры. Это было началом практической инженерии зонной структуры.
Слайд 7Если гетеропереходы находятся на расстояниях меньше 100 нанометров – это уже наноструктура.
![Если гетеропереходы находятся на расстояниях меньше 100 нанометров – это уже наноструктура.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-6.jpg)
Современная технология позволяет формировать такие наноструктуры с атомарной точностью, что позволяет ввести термины
«инженерия зонной структуры» и «инженерия волновых функций»
Слайд 81D магнитная сверхрешетка
Гигантское магнитосопротивление (ГМС) в нанослоях Fe-Cr:
a –
![1D магнитная сверхрешетка Гигантское магнитосопротивление (ГМС) в нанослоях Fe-Cr: a – ориентация](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-7.jpg)
ориентация магнитных моментов атомов железа (красные стрелки) в нанослоях в отсутствии
магнитного поля: структура антиферромагнитна;
b–магнитное поле выше некоторой критической величины делает структуру
ферромагнитной
Слайд 9Разница между сопротивлениями структуры при параллельном и антипараллельном направлении намагниченности в соседних
![Разница между сопротивлениями структуры при параллельном и антипараллельном направлении намагниченности в соседних](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-8.jpg)
слоях называется ГМС-соотношением. Изменить это направление можно при приложении внешнего магнитного поля. В используемых сейчас структурах при комнатных температурах эффект составляет 20 и более процентов.
Именно применение эффекта ГМС позволило за несколько последних лет увеличить информационную плотность жестких дисков в 20 раз.
Слайд 10Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена Петеру Грюнбергу (Peter GrünbergНобелевская премия
![Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена Петеру Грюнбергу (Peter GrünbergНобелевская](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-9.jpg)
по физике 2007 года была присуждена Петеру Грюнбергу (Peter Grünberg) и Альберу Феру (Albert Fert) за открытие гигантского магнитосопротивления
Слайд 11Модели фотонных кристаллов –
оптических сверхрешеток
![Модели фотонных кристаллов – оптических сверхрешеток](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-10.jpg)
Слайд 12Первую искусственную сверхрешетку
для миллиметрового диапазона
электромагнитных волн создал в 1989 году
![Первую искусственную сверхрешетку для миллиметрового диапазона электромагнитных волн создал в 1989 году](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-11.jpg)
Эли Яблонович
Он же ввел понятие запрещенной зоны для электромагнитных волн (photonic band gap)
Слайд 14Физическая природа возникновения запрещенных зон для электронов и фотонов одна и та
![Физическая природа возникновения запрещенных зон для электронов и фотонов одна и та](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-13.jpg)
же – это условия распространения волн в среде с периодически изменяющимися свойствами
Слайд 15По аналогии с классической зонной теорией фотонные кристаллы делят на проводники, изоляторы
![По аналогии с классической зонной теорией фотонные кристаллы делят на проводники, изоляторы](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-14.jpg)
и полупроводники. Фотонные проводники для видимого света обладают широкими разрешенными зонами, в них свет на больших расстояниях почти не поглощается. У фотонных изоляторов широкие запрещенные зоны, у фотонного полупроводника они более узкие. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых световая энергия поглощается и переходит в тепловую, фотонные изоляторы не поглощают свет, он просто в них не может распространяться.
Слайд 16В запрещенной зоне фотонных кристаллов можно создавать энергетические уровни, аналогичные донорным и
![В запрещенной зоне фотонных кристаллов можно создавать энергетические уровни, аналогичные донорным и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-15.jpg)
акцепторным уровням для классических полупроводников. Такой примесной проводимости соответствуют, например, пустоты на месте некоторых элементов фотонного кристалла, их объединение в нитевидные полости или заполнение отдельных элементов веществом с другим значением показателя преломления
Слайд 18Зонная структура «яблоновита»
б) – частотная зависимость затухания электромагнитного излучения
при его
![Зонная структура «яблоновита» б) – частотная зависимость затухания электромагнитного излучения при его](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-17.jpg)
прохождении через «яблоновит»; в) – появление дополнительного
пика затухания в запрещенной зоне за счет создания одиночного
акцепторного дефекта
Слайд 19ФК с регулируемой
запрещенной зоной
В 1999 г группа ученых во главе
![ФК с регулируемой запрещенной зоной В 1999 г группа ученых во главе](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-18.jpg)
с Саджива Джонсоном (из университета Торонто) создали структуру с управляемой запрещенной зоной на основе инвертированного искусственного опала с периодически расположенными сферическими пустотами. Ширина запрещенной зоны 1380-1620 нм.
Покрытие пустот веществом с низким коэффициентом преломления позволило
осуществлять управление запрещенной зоной с помощью внешнего магнитного поля
Слайд 20В современной оптоэлектронике электронные и фотонные разрешенные и запрещенные зоны приходится рассматривать
![В современной оптоэлектронике электронные и фотонные разрешенные и запрещенные зоны приходится рассматривать](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-19.jpg)
совместно: например, электрон и дырка не могут рекомбинировать с выделением фотона, если энергия их рекомбинации (энергия фотона) попадает в запрещенную фотонную зону. В этом случае время жизни возбужденного атома может быть увеличено во много раз.
Слайд 21Кластерная сверхрешетка опала –
модель фотонного кристалла
Опал является примером природного, хотя и
![Кластерная сверхрешетка опала – модель фотонного кристалла Опал является примером природного, хотя](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-20.jpg)
не вполне совершенного фотонного кристалла. В нем периодическую «решетку» образуют достаточно крупные по сравнению с атомами кластеры кремнезема SiO2 (на рисунке модели они выделены зеленым цветом)
Слайд 22Схема реплики со сверхрешетки опала
инвертированный опал)
Внутреннюю полость пустот можно обрабатывать
![Схема реплики со сверхрешетки опала инвертированный опал) Внутреннюю полость пустот можно обрабатывать](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-21.jpg)
различными веществами, тем самым управляя коэффициентом преломления, а значит и свойствами фотонного кристалла. Если полости покрыты веществом, меняющим коэффициент преломления под действием электрического или магнитного поля, это позволяет управлять положением запрещенной зоны.
Слайд 23Самосборка системы сферических микрочастиц в плотноупакованный фотонный кристалл
![Самосборка системы сферических микрочастиц в плотноупакованный фотонный кристалл](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-22.jpg)
Слайд 24«Дровяная поленница»
из кремниевых полосок
(получена методом литографии)
![«Дровяная поленница» из кремниевых полосок (получена методом литографии)](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-23.jpg)
Слайд 25Методы получения ФК
Два основных подхода:
1. «сверху-вниз» с использованием методов литографии,
![Методы получения ФК Два основных подхода: 1. «сверху-вниз» с использованием методов литографии,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-24.jpg)
что не позволяет их изготавливать дешево и в больших количествах;
2. «снизу-вверх», процесс самосборки.
Слайд 26Фотолитография
Процесс фотолитографии:
На подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок.
![Фотолитография Процесс фотолитографии: На подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-25.jpg)
На этот слой наносится фоторезист.
Производится экспонирование через фотошаблон (контактным или проекционным методом).
Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются.
Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста
Слайд 27Молекулярно-лучевая эпитаксия
В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества
![Молекулярно-лучевая эпитаксия В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-26.jpg)
на кристаллическую подложку. Несмотря на достаточно простую идею, реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений.
Слайд 28Самосборка
серебряных наночастиц
Кювета содержит раствор серебряных наночастиц, их оптические параметры
![Самосборка серебряных наночастиц Кювета содержит раствор серебряных наночастиц, их оптические параметры существенно](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-27.jpg)
существенно зависят от расстояний между частицами. В верхней части кюветы частицы находятся на довольно больших расстояниях друг от друга; внизу- наночастицы плотно упакованы
Слайд 29Фотонные кристаллы - световоды
Принцип действия традиционных световодов – многократное полное внутреннее
![Фотонные кристаллы - световоды Принцип действия традиционных световодов – многократное полное внутреннее](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-28.jpg)
отражение света. В случае фотонных кристаллов передача энергии по световоду происходит по принципиально иному механизму.Световые волны не могут распространяться в поверхностных слоях световода (фотонного кристалла) за счет наличия в них запрещенной зоны
Слайд 30Эффективность передачи в уже созданных фотонных кристаллах типа «поленница» составляет 95 процентов;
![Эффективность передачи в уже созданных фотонных кристаллах типа «поленница» составляет 95 процентов;](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-29.jpg)
для стандартных светопередающих сред этот показатель порядка 30 процентов
Слайд 31Фотонные световоды
на основе отработанной
волоконно-оптической технологии
![Фотонные световоды на основе отработанной волоконно-оптической технологии](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-30.jpg)
Слайд 32Преимущества передачи информации
с помощью фотонов
Интерес к фотонным проводникам связан в частности
![Преимущества передачи информации с помощью фотонов Интерес к фотонным проводникам связан в](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/382290/slide-31.jpg)
с тем, что в них не выделяется тепло. Между тем тепловыделение - одно из главных препятствий на пути увеличения плотности интегральных схем и тактовой частоты.
Второй проблемой является взаимная самоиндукция, характерная для высокочастотных электронных устройств. Для потоков света эта проблема не возникает.