Фотонные кристаллы. введение. Возникновение нанотехнологий и исследование наноматериалов имеет определенную историю. Сначала были путешествия, которые способствовали великим географическим открытиям и формированию новых торговых путей
 Скачать 19.16 Kb.
|
|
Возникновение нанотехнологий и исследование наноматериалов имеет определенную историю. Сначала были путешествия, которые способствовали великим географическим открытиям и формированию новых торговых путей. Люди исследовали два измерения Земли — географические широту и долготу. После появлялись исследования глубины мирового океана, а также покорение космоса. Это, несомненно, дало чрезвычайно много — и перспективы освоения новых горизонтов, и понимание процессов, происходящих на Земле и вне ее, особенно в области освоения новых источников энергии. Людям покорилось третье измерение. Потом они задумались о времени и постепенно научились изучать как геологические и космические события, длящиеся миллиарды лет, так и быстротечные фемтосекундные процессы, значительно более быстрые, чем, скажем, выстрел или удар молнии. Так покорилось четвертое измерение, давшее ключ к пониманию того, как именно все ранее изученные процессы происходят в действительности. Наконец свершилось новое чудо — мы вплотную приблизились к освоению пятого измерения, связанного с возникновением нанотехнологий. Нанотехнологии — детище современной фундаментальной науки. Последние достижения свидетельствуют о возможности создания новых поколений функциональных материалов, а проекты возможного использования нанотехнологий затрагивают практически все области человеческой деятельности. В то же время постепенно происходит переосмысление научных фантазий, которые приобретают черты реалистичности. В настоящее время предполагается комплексное решение проблем нанотехнологий как в фундаментальном, так и в прикладном направлениях с выделением свыше тысячи направлений поиска, объединенных вокруг наноэлектроники, нанобиотехнологии, молекулярной электроники, наноэлектромеханики, наноэнергетики, оптоэлектроники, создания новых поколений функциональных и конструкционных наноматериалов, наноматериалов для медицины, машиностроения и робототехники, компьютерных технологий, экологии, аэронавтики, систем безопасности и борьбы с терроризмом. Для большинства материалов, особенно объемных, целесообразно рассматривать различные уровни структуры от нанометровых до миллиметровых и понимать, что они тесно взаимосвязаны. В некоторых случаях определяющими являются фрагменты не нано-, а микрометровых размеров (например, фотонные кристаллы или клетки млекопитающих), поэтому в общем случае следует стремиться к созданию материалов с оптимальным размером фрагментов их структуры, определяющим функциональные или конструкционные свойства [1]. Нанотехнологии — это совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется в первую очередь наноструктурой, т. е. фрагментами структуры размером от 1 до 100 нм [2]. Наноматериалы — материалы, функциональные свойства которых определяются наноуровнем их структуры [3]. Наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, делающими их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, практически используемыми в деятельности человека. Во-первых, все такие материалы действительно состоят из очень мелких частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Данная особенность показывает суперминиатюризацию, приводящую к тому, что на единице площади можно разместить больше функциональных наноустройств, что жизненно важно для наноэлектроники или для достижения суперплотной магнитной записи информации. Кроме того, ничтожный размер делает для наноустройств доступным почти любые закоулки человеческого тела или части макромашин, в которые не проникнет ничто другое. Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены, что может позволить каталитически активным материалам в миллионы раз ускорить химические или биохимические реакции. Интересное применение — разложение воды для водородной энергетики на водород и кислород в присутствии наночастиц диоксида титана, который всем нам известен как компонент титановых белил. Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины. Наночастицы также могут «таскать» за собой необходимые лекарства, программируемо доставляя их к заранее выбранной цели, например, раковой опухоли, а также при гипертермии. В-третьих, наноматериалы уникальны тем, что такое вещество находится в особом, «наноразмерном», состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантово-механических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты имеют место при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления. Характерной особенностью наночастиц является также отсутствие точечных дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали. При этом они во много раз выигрывают у стали и по своей удельной массе. Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство — вопрос не количества, не тонн или километров, а качества человеческой мысли. Фотонные кристаллы. В спектре собственных электромагнитных состояний наноматериала могут формироваться запрещенные зоны за счет пространственно-периодической модуляции диэлектрической проницаемости в объеме наночастиц. Структуры, проявляющие указанный эффект, называются фотонными кристаллами. Образование фотонной зонной структуры обусловлено брэгговским отражением электромагнитных волн на периодическом возмущении профиля диэлектрической проницаемости. Таким образом, аналогично электронной зонной структуре создается фотонная запрещенная зона, под которой понимается спектральная область с невозможностью распространения света во всех возможных направлениях. При этом энергетическое положение запрещенных зон зависит от периода модуляции диэлектрической проницаемости, а ширина зоны — от контраста диэлектрической проницаемости [4]. Изучение фотонных кристаллов одно из интенсивно развивающихся направлений физики твердого тела, а также оптики и материаловедения. Фотонные кристаллы могут быть использованы для изготовления на их основе новых оптических и лазерных приборов и систем. Существование запрещенной зоны в определенной области частот позволяет конструирование устройств управления световым потоком с помощью фотонных кристаллов. Так, за счет брэгговского отражения от разных плоскостей свечение с запрещенными длинами волн расщепляется на несколько световых потоков. Отсутствие разрешенных состояний в фотонной запрещенной зоне препятствует излучению света. С учетом подавления спонтанного излучения структура «фотонный кристалл — лазер» будет иметь высокий КПД лазера [4]. Интенсивное исследование в последнее время материалов с фотонной запрещенной зоной обусловлено их перспективным применением в устройствах спонтанного излучения, низкопороговых оптических переключателей и ограничителей [4]. Фотонные кристаллы являются наиболее перспективными материалами для разработки новых приборов современной электроники, поскольку фотоны являются самыми быстрыми носителями информации. В этой связи в ближайшее время можн ожидать появление так называемых оптических компьютеров, что приведет к существенным изменениям в технологии передачи данных. Фотонные кристаллы могут использоваться при создании телекоммуникационных систем с низким коэффициентом затухания, низкопороговых лазерных излучателей и сверхбыстрых оптических переключателей потоков информации [4]. В последнее время интерес к фотонным кристаллам возрастает, о чем свидетельствует рост публикаций и количество проводимых научных конференций по данной тематике. Ведутся разработки по изготовлению трехмерных фотонных кристаллов, которые должны иметь полную фотонную запрещенную зону в видимой и ближней ИК областях спектра. К сожалению, не существует ни одного метода, способного обеспечить получение бездефектных фотонных кристаллов с толщиной более 30 структурных ячеек [4]. В настоящее время изучаются фотонные свойства нанокомпозитов синтетических опалов и полупроводников с целью их перспективного применения за счет их дешевого и технологического производства. |