211service.com
Trójwymiarowy połysk kryształów fotonicznych
Po raz pierwszy naukowcy stworzyli wysokiej jakości trójwymiarowe kryształy fotoniczne i wykorzystali je do stworzenia wysoce wydajnej diody elektroluminescencyjnej (LED). Trójwymiarowe kryształy fotoniczne obiecują zwiększyć wydajność niemal każdego urządzenia optycznego, czy to wyświetlacza, ogniwa słonecznego, czy wydajnej żarówki – ale do tej pory nikt nie był w stanie ich wytworzyć przy użyciu opłacalnych komercyjnie metod lub materiałów nadających się do obróbki . Naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign pracują obecnie nad ogniwami słonecznymi opartymi na strukturach.
Kryształowe wypełnienie: Ta ilustracja pokazuje arsenek galu (niebieski) rosnący wokół szablonu, tworząc trójwymiarowy kryształ fotoniczny.
Kryształy fotoniczne mogą w bardzo precyzyjny sposób sterować pochłanianiem, emisją i ruchem światła w oparciu o ich strukturę. Były gorącym obszarem badań od późnych lat 80-tych. Jak dotąd tworzenie płaskich, dwuwymiarowych kryształów fotonicznych było praktyczne. Kontrolują one ruch światła bardzo dobrze w dwóch wymiarach, ale nie doskonale w trzecim. Mimo to odnieśli duży sukces. Firma o nazwie Luxtera , na przykład, opracował sposoby budowania połączeń optycznych opartych na kryształach fotonicznych bezpośrednio na chipach komputerowych. Zbliżanie sygnałów optycznych do procesorów komputerowych pomaga przyspieszyć transmisję danych, a użycie kryształów fotonicznych pomaga utrzymać zwarty rozmiar tych łączy. Luminus skupiła się na diodach LED, których kryształy pomagają poprawić strumień świetlny, dzięki czemu urządzenia te są jaśniejsze i bardziej energooszczędne.
Jednak trójwymiarowe kryształy fotoniczne byłyby jeszcze lepszymi urządzeniami optycznymi. Kluczową zaletą jest to, że możesz naprawdę kontrolować propagację światła we wszystkich wymiarach, mówi Paul Braun , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Illinois. Braun kieruje pracami nad trójwymiarowymi kryształami fotonicznymi, a jego grupa pracuje również nad wytwarzaniem ogniw słonecznych z kryształów.
Tworzenie tych struktur jest trudne. Struktury kryształów fotonicznych są różne, ale często powstają przez wiercenie w materiale otworów, prętów i innych elementów w nanoskali. Odwzorowywanie płaskiej płyty materiału z niezbędnymi strukturami w nanoskali do stworzenia dwuwymiarowego kryształu fotonicznego jest stosunkowo prostym procesem. O wiele trudniej jest uzyskać tego rodzaju wzór w grubym kawałku materiału, aby stworzyć trójwymiarową strukturę bez degradacji materiału. A najbardziej przydatne rodzaje kryształów fotonicznych — te, które mogą aktywnie przekształcać sygnały elektryczne i optyczne, a także precyzyjnie manipulują przepływem światła — są najtrudniejsze do wyprodukowania, ponieważ w trakcie procesu wprowadzane są wady materiałowe. Ta konwersja światła na energię elektryczną i powrotna ma kluczowe znaczenie w przypadku diod LED, ogniw słonecznych i optycznych połączeń danych do obliczeń.
Grupa z University of Illinois stworzyła wysokiej jakości trójwymiarowe kryształy fotoniczne, hodując je na szablonie od dołu do góry, zamiast próbować wprowadzić wzory w nanoskali do kawałków materiału. Naukowcy zaczynają od stworzenia szablonu, stosów upakowanych kulek w nanoskali. Następnie umieszczają szablon w komorze do osadzania par i przepływają w serii gazów zawierających gal i arsenek. Materiały osadzają się na szablonie i rosną wokół niego. To jak napełnianie wodą pudełka piłeczek pingpongowych: napływający materiał wypełnia przestrzenie między kulami. Następnie chemicznie usuwają kule, pozostawiając trójwymiarowy kryształ fotoniczny – kawałek krystalicznego arsenku galu, który jest podziurawiony dziurami w nanoskali.
Arsenek galu jest używany do wytwarzania urządzeń optycznych, takich jak fotodetektory, ale przekształcenie go w trójwymiarowe kryształy fotoniczne nie było wcześniej możliwe. Naukowcy z Illinois nie tylko byli w stanie wytworzyć trójwymiarowy kryształ fotoniczny z materiału, ale także wykorzystali go do stworzenia diody LED napędzanej prądem elektrycznym.
Od dawna czekam, aż ktoś osiągnie to, co osiągnęła [grupa z Illinois], mówi Eli Yablanovitch , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Pod koniec lat 80. Yablanovitch wykonał część fundamentalnych prac nad kryształami fotonicznymi, rozwijając ideę, że niektóre projekty mogą emitować światło w bardzo kontrolowany sposób, co jest przydatne w przypadku diod LED.
Yablanovitch mówi, że trudno przewidzieć, co i kiedy wyniknie z tej pracy, ponieważ nikt wcześniej nie stworzył praktycznych trójwymiarowych kryształów fotonicznych. Mówi, że niektóre z najbardziej przekonujących zastosowań są już wypełniane przez dwuwymiarowe kryształy fotoniczne. Jeśli tworzenie trójwymiarowych kryształów fotonicznych stanie się tak łatwe, jak tworzenie ich płaskich odpowiedników już w produktach, zawsze będą one pierwszym wyborem, mówi Yablanovitch.
Technologia jest prawdopodobnie jeszcze kilka lat od komercjalizacji, mówi Braun.