2014 ช.

คริสตัลโทนิค

ผลึกโฟโตนิก (PC) เป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กตริกในอวกาศเป็นระยะ คุณสมบัติทางแสงของพีซีแตกต่างจากคุณสมบัติทางแสงของสื่อต่อเนื่องอย่างมาก การแพร่กระจายของรังสีภายในคริสตัลโฟโตนิกเนื่องจากช่วงเวลาของตัวกลางจะคล้ายกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในคริสตัลธรรมดาภายใต้อิทธิพลของศักยภาพที่เป็นคาบ เป็นผลให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในผลึกโฟโตนิกมีสเปกตรัมของแถบและการประสานการพึ่งพาคล้ายกับคลื่นโบลชของอิเล็กตรอนในผลึกธรรมดา ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ช่องว่างจะเกิดขึ้นในโครงสร้างแถบความถี่ของพีซี คล้ายกับแถบอิเล็กทรอนิกส์ต้องห้ามในคริสตัลธรรมชาติ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะ (วัสดุขององค์ประกอบ ขนาด และคาบขัดแตะ) ทั้งสองโซนความถี่ที่ต้องห้ามโดยสมบูรณ์ ซึ่งการแพร่กระจายของรังสีเป็นไปไม่ได้โดยไม่คำนึงถึงโพลาไรเซชันและทิศทางของมัน และต้องห้ามบางส่วน (โซนหยุด) ซึ่งการกระจายนั้น เป็นไปได้เฉพาะในทิศทางที่เลือกเท่านั้น

คริสตัลโฟโตนิกมีความน่าสนใจทั้งจากมุมมองพื้นฐานและสำหรับการใช้งานหลายอย่าง มีการสร้างและพัฒนาโดยใช้คริสตัลโฟโตนิก ตัวกรองแสง ท่อนำคลื่น (โดยเฉพาะในสายสื่อสารไฟเบอร์ออปติก) และพัฒนา การออกแบบเลเซอร์ที่มีเกณฑ์ปั๊มลดลงโดยใช้คริสตัลโฟโตนิก

นอกเหนือจากการเปลี่ยนสเปกตรัมการสะท้อน การส่งผ่าน และการดูดกลืนแสงแล้ว ผลึกโฟโตนิกของโลหะ-ไดอิเล็กตริกยังมีความหนาแน่นจำเพาะของสถานะโฟโตนิกอีกด้วย ความหนาแน่นที่เปลี่ยนแปลงของสถานะสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของสถานะตื่นเต้นของอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ภายในคริสตัลโฟโตนิก และผลที่ตามมาคือเปลี่ยนลักษณะของการเรืองแสง ตัวอย่างเช่น หากความถี่การเปลี่ยนแปลงในโมเลกุลตัวบ่งชี้ที่อยู่ในคริสตัลโฟโตนิกตกลงไปในช่องว่างของแถบความถี่ การเรืองแสงที่ความถี่นี้จะถูกระงับ

FCs แบ่งออกเป็นสามประเภท: มิติเดียว สองมิติ และสามมิติ

ผลึกโฟโตนิกหนึ่ง สอง และสามมิติ สีที่ต่างกันสอดคล้องกับวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกัน

FC ที่มีชั้นสลับกันที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกันนั้นเป็นมิติเดียว

ภาพอิเล็กตรอนของพีซีหนึ่งมิติที่ใช้ในเลเซอร์เป็นกระจกหลายชั้นของ Bragg

พีซีแบบสองมิติสามารถมีรูปทรงที่หลากหลายมากขึ้น ตัวอย่างเช่น รวมถึงอาร์เรย์ของกระบอกสูบที่มีความยาวไม่สิ้นสุด (ขนาดตามขวางมีขนาดเล็กกว่าขนาดตามยาวมาก) หรือระบบรูทรงกระบอกเป็นระยะ

ภาพอิเล็กทรอนิกส์ของคริสตัลโฟโตนิกไปข้างหน้าและผกผันแบบสองมิติพร้อมโครงตาข่ายสามเหลี่ยม

โครงสร้างของพีซีสามมิติมีความหลากหลายมาก สิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดในหมวดหมู่นี้คือโอปอลประดิษฐ์ - ระบบสั่งตัวกระจายทรงกลม โอปอลมีสองประเภทหลัก: โอปอลตรงและโอปอลผกผัน การเปลี่ยนจากโอปอลโดยตรงไปเป็นโอปอลแบบย้อนกลับนั้นดำเนินการโดยแทนที่องค์ประกอบทรงกลมทั้งหมดด้วยโพรง (โดยปกติจะเป็นอากาศ) ในขณะที่ช่องว่างระหว่างโพรงเหล่านี้เต็มไปด้วยวัสดุบางอย่าง

ด้านล่างเป็นพื้นผิวของ PC ซึ่งเป็นโอปอลตรงที่มีโครงตาข่ายลูกบาศก์ซึ่งมีพื้นฐานมาจากอนุภาคไมโครโพลีสไตรีนทรงกลมที่จัดเรียงเอง

พื้นผิวด้านในของพีซีที่มีลูกบาศก์ขัดแตะบนพื้นฐานของอนุภาคไมโครโพลีสไตรีนทรงกลมที่จัดเรียงเอง

โครงสร้างต่อไปนี้เป็นโอปอลผกผันที่สังเคราะห์ขึ้นอันเป็นผลมาจากกระบวนการทางเคมีหลายขั้นตอน: การประกอบอนุภาคทรงกลมโพลีเมอร์ด้วยตนเอง การทำให้ช่องว่างของวัสดุที่ได้เกิดขึ้นด้วยสาร และการกำจัดเมทริกซ์โพลีเมอร์โดยการกัดด้วยสารเคมี

พื้นผิวของโอปอลผกผันควอตซ์ ภาพถ่ายได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

พีซีสามมิติอีกประเภทหนึ่งคือโครงสร้างประเภท "logpiles" ซึ่งสร้างขึ้นจากสี่เหลี่ยมด้านขนานที่ตัดกันซึ่งมักจะเป็นมุมฉาก

ภาพถ่ายอิเล็กทรอนิกส์ของ FC ที่ทำจากโลหะขนาน

ผลงานจำนวนมากและเอกสารประกอบเมื่อเร็ว ๆ นี้อุทิศให้กับคุณสมบัติที่ผิดปกติของคริสตัลโฟโตนิก ให้เราระลึกว่าคริสตัลโฟโตนิกเป็นสื่อประดิษฐ์ซึ่งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์อิเล็กทริกเป็นระยะ (หมายถึงดัชนีการหักเหของแสง) คุณสมบัติของการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) จะคล้ายกับคุณสมบัติของอิเล็กตรอนที่แพร่กระจายในผลึกจริง ดังนั้น คำว่า "โฟตอนคริสตัล" จึงเน้นความคล้ายคลึงกันระหว่างโฟตอนและอิเล็กตรอน การหาปริมาณคุณสมบัติของโฟตอนนำไปสู่ความจริงที่ว่าในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในคริสตัลโฟตอนโซนต้องห้ามอาจปรากฏขึ้นซึ่งความหนาแน่นของสถานะของโฟตอนเท่ากับศูนย์

คริสตัลโฟโตนิกสามมิติที่มีแถบความถี่สัมบูรณ์เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงไมโครเวฟ การมีอยู่ของช่องว่างแถบความถี่สัมบูรณ์หมายความว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่หนึ่งๆ ไม่สามารถแพร่กระจายในผลึกที่กำหนดไปในทิศทางใดๆ ได้ เนื่องจากความหนาแน่นของสถานะของโฟตอนซึ่งพลังงานสอดคล้องกับแถบความถี่นี้เป็นศูนย์ที่จุดใดๆ ในผลึก เช่นเดียวกับคริสตัลจริง คริสตัลโฟโตนิกสามารถเป็นตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ ฉนวน และตัวนำยิ่งยวดในแง่ของการมีอยู่และคุณสมบัติของช่องว่างแถบความถี่ หากมี “ข้อบกพร่อง” ในช่องว่างแถบความถี่ของคริสตัลโทนิค โฟตอนสามารถ “จับ” ได้ด้วย “ข้อบกพร่อง” เช่นเดียวกับวิธีที่อิเล็กตรอนหรือรูถูกจับโดยสิ่งเจือปนที่สอดคล้องกันซึ่งอยู่ในช่องว่างแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์ .

คลื่นที่แพร่กระจายด้วยพลังงานที่อยู่ภายในช่องว่างของแถบความถี่ดังกล่าวเรียกว่าโหมดข้อบกพร่อง

การหักเหของแสง metamaterial โทนิคคริสตัล

ตามที่ระบุไว้แล้ว คุณสมบัติที่ผิดปกติของคริสตัลโฟโตนิกจะถูกสังเกตเมื่อขนาดของเซลล์พื้นฐานของคริสตัลอยู่ในลำดับความยาวของคลื่นที่แพร่กระจายในนั้น เห็นได้ชัดว่าผลึกโฟโตนิกในอุดมคติในช่วงแสงที่มองเห็นสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เทคโนโลยีระดับซับไมครอนเท่านั้น ระดับของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถสร้างคริสตัลสามมิติดังกล่าวได้

การใช้งานของคริสตัลโฟโตนิกมีค่อนข้างมาก - ตัวแยกแสง, ประตูแสง, สวิตช์, มัลติเพล็กเซอร์ ฯลฯ หนึ่งในโครงสร้างที่สำคัญอย่างยิ่งจากมุมมองเชิงปฏิบัติคือไฟเบอร์ออปติกคริสตัลโฟโตนิก ในตอนแรกพวกมันถูกสร้างขึ้นจากชุดของเส้นเลือดฝอยแก้วที่รวบรวมมาในแพ็คหนาแน่น ซึ่งจากนั้นก็นำไปใส่เครื่องดูดควันแบบธรรมดา ผลลัพธ์ที่ได้คือใยแก้วนำแสงที่มีรูที่มีระยะห่างสม่ำเสมอโดยมีขนาดลักษณะเฉพาะประมาณ 1 ไมครอน ต่อมาได้ตัวนำแสงคริสตัลโฟโตนิกแบบออพติคอลที่มีการกำหนดค่าต่างๆ และมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน (รูปที่ 9)

วิธีการเจาะแบบใหม่สำหรับการสร้างตัวนำแสงคริสตัลโฟโตนิกได้รับการพัฒนาที่สถาบันวิศวกรรมวิทยุและอิเล็กทรอนิกส์และศูนย์วิทยาศาสตร์สำหรับใยแก้วนำแสงของ Russian Academy of Sciences ขั้นแรก ให้เจาะรูเชิงกลที่มีเมทริกซ์ใดๆ ก็ตามในชิ้นงานควอทซ์หนา จากนั้นจึงดึงชิ้นงานออกมา ผลลัพธ์ที่ได้คือไฟเบอร์คริสตัลโฟโตนิกคุณภาพสูง ในคู่มือแสงดังกล่าว เป็นเรื่องง่ายที่จะสร้างข้อบกพร่องในรูปทรงและขนาดต่างๆ เพื่อให้โหมดแสงหลายโหมดสามารถตื่นเต้นพร้อมกันในตัวพวกเขา ความถี่ที่อยู่ในช่องว่างแถบความถี่ของคริสตัลโฟโตนิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อบกพร่องอาจอยู่ในรูปแบบของช่องกลวง ดังนั้นแสงจะไม่แพร่กระจายในควอตซ์ แต่ผ่านอากาศ ซึ่งสามารถลดการสูญเสียในส่วนยาวของตัวนำแสงคริสตัลโฟโตนิกได้อย่างมาก การแพร่กระจายของรังสีที่มองเห็นและรังสีอินฟราเรดในตัวนำแสงคริสตัลโฟโตนิกนั้นมาพร้อมกับปรากฏการณ์ทางกายภาพต่างๆ เช่น การกระเจิงของรามัน การผสมฮาร์มอนิก การสร้างฮาร์มอนิก ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การสร้างซูเปอร์คอนตินิวอัม

สิ่งที่น่าสนใจไม่น้อยจากมุมมองของการศึกษาผลกระทบทางกายภาพและการนำไปใช้ที่เป็นไปได้คือผลึกโฟโตนิกแบบหนึ่งและสองมิติ พูดอย่างเคร่งครัด โครงสร้างเหล่านี้ไม่ใช่ผลึกโฟโตนิก แต่ถือได้ว่าเป็นเช่นนี้เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ผลึกโฟโตนิกแบบหนึ่งมิติทั่วไปคือโครงสร้างคาบหลายชั้นที่ประกอบด้วยชั้นของสารอย่างน้อยสองตัวที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันอย่างมาก หากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายไปตามเส้นปกติ ช่องว่างของแถบความถี่จะปรากฏขึ้นในโครงสร้างดังกล่าวสำหรับความถี่บางความถี่ หากชั้นใดชั้นหนึ่งของโครงสร้างถูกแทนที่ด้วยสารที่มีดัชนีการหักเหของแสงแตกต่างจากชั้นอื่น ๆ หรือความหนาของชั้นหนึ่งมีการเปลี่ยนแปลง ชั้นดังกล่าวจะเป็นข้อบกพร่องที่สามารถจับคลื่นที่มีความถี่อยู่ในช่องว่างของแถบความถี่ .

การมีอยู่ของชั้นแม่เหล็กที่มีข้อบกพร่องในโครงสร้างอิเล็กทริกที่ไม่ใช่แม่เหล็กจะทำให้การหมุนของคลื่นฟาราเดย์เพิ่มขึ้นหลายเท่าเมื่อแพร่กระจายในโครงสร้างดังกล่าว และเพิ่มความโปร่งใสทางแสงของตัวกลาง

โดยทั่วไปแล้ว การมีอยู่ของชั้นแม่เหล็กในผลึกโฟโตนิกสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของพวกมันได้อย่างมาก โดยเฉพาะในช่วงไมโครเวฟ ความจริงก็คือในช่วงไมโครเวฟความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของเฟอร์โรแมกเนติกในย่านความถี่หนึ่ง ๆ นั้นเป็นลบซึ่งเอื้อต่อการใช้งานในการสร้างวัสดุ metamaterial ด้วยการรวมสารดังกล่าวเข้ากับชั้นหรือโครงสร้างที่ไม่ใช่แม่เหล็กที่เป็นโลหะซึ่งประกอบด้วยตัวนำแต่ละตัวหรือโครงสร้างตัวนำเป็นระยะ ๆ จึงสามารถสร้างโครงสร้างที่มีค่าลบของค่าคงที่แม่เหล็กและไดอิเล็กตริกได้ ตัวอย่างคือโครงสร้างที่สร้างขึ้นที่สถาบันวิศวกรรมวิทยุและอิเล็กทรอนิกส์ของ Russian Academy of Sciences ซึ่งออกแบบมาเพื่อตรวจจับการสะท้อนและการหักเหของคลื่นแม่เหล็กแบบ "ลบ" โครงสร้างนี้เป็นฟิล์มของโกเมนเหล็กอิตเทรียมที่มีตัวนำโลหะอยู่บนพื้นผิว คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กหมุนที่แพร่กระจายในฟิล์มเฟอร์โรแมกเนติกบางๆ ขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กภายนอกอย่างมาก ในกรณีทั่วไป คลื่นประเภทหนึ่งคือคลื่นย้อนกลับ ดังนั้นผลคูณสเกลาร์ของเวกเตอร์คลื่นและเวกเตอร์การชี้สำหรับคลื่นประเภทนี้จึงเป็นลบ

การดำรงอยู่ของคลื่นย้อนกลับในผลึกโฟโตนิกก็เนื่องมาจากคุณสมบัติของคริสตัลเองเป็นระยะๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคลื่นที่มีเวกเตอร์คลื่นอยู่ในโซนบริลลูอินโซนแรก เงื่อนไขการแพร่กระจายสามารถทำได้เช่นเดียวกับคลื่นตรง และสำหรับคลื่นเดียวกันในโซนบริลลูอินที่สอง - สำหรับคลื่นย้อนกลับ เช่นเดียวกับวัสดุเมตา ผลึกโฟโตนิกสามารถแสดงคุณสมบัติที่ผิดปกติในการแพร่กระจายคลื่น เช่น การหักเหของแสง "เชิงลบ"

อย่างไรก็ตาม ผลึกโฟโตนิกสามารถเป็นวัสดุ metamaterial ที่สามารถปรากฏการณ์การหักเหของแสง "เชิงลบ" ไม่เพียงแต่ในช่วงไมโครเวฟเท่านั้น แต่ยังอยู่ในช่วงความถี่แสงด้วย การทดลองยืนยันการมีอยู่ของการหักเหของแสง "เชิงลบ" ในผลึกโฟโตนิกสำหรับคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ของช่องว่างแถบแรกใกล้กับศูนย์กลางของโซนบริลลูอิน นี่เป็นเพราะผลกระทบของความเร็วของกลุ่มที่เป็นลบ และผลที่ตามมาคือดัชนีการหักเหของแสงที่เป็นลบสำหรับคลื่น ในความเป็นจริง ในช่วงความถี่นี้ คลื่นจะกลับกัน

การจำแนกวิธีการผลิตคริสตัลโฟโตนิกผลึกโฟโตนิกนั้นหายากมากในธรรมชาติ มีความโดดเด่นด้วยการเล่นแสงสีรุ้งแบบพิเศษ - ปรากฏการณ์ทางแสงที่เรียกว่าสีรุ้ง (แปลจากภาษากรีก - รุ้ง) แร่ธาตุดังกล่าว ได้แก่ แคลไซต์ ลาบราโดไรต์ และโอปอล SiO 2 ×n∙H 2 O ที่มีสารเจือปนต่างๆ ที่มีชื่อเสียงที่สุดในหมู่พวกเขาคือโอปอล - แร่กึ่งมีค่าซึ่งเป็นผลึกคอลลอยด์ที่ประกอบด้วยทรงกลมทรงกลม monodisperse ของซิลิคอนออกไซด์ การเล่นแสงในช่วงหลังทำให้เกิดคำว่าสีเหลือบ ซึ่งหมายถึงลักษณะการกระเจิงรังสีชนิดพิเศษเฉพาะของผลึกนี้เท่านั้น

วิธีการหลักในการผลิตคริสตัลโฟโตนิกประกอบด้วยวิธีการที่สามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม:

1. วิธีการที่ใช้การก่อตัวของผลึกโฟโตนิกที่เกิดขึ้นเอง วิธีการกลุ่มนี้ใช้อนุภาคคอลลอยด์ เช่น อนุภาคซิลิโคนโมโนดิสเพอร์สหรือโพลีสไตรีน ตลอดจนวัสดุอื่นๆ อนุภาคดังกล่าวซึ่งอยู่ในไอของเหลวในระหว่างการระเหยจะตกตะกอนในปริมาตรหนึ่ง เมื่ออนุภาคเกาะทับกัน พวกมันจะก่อตัวเป็นผลึกโฟโตนิกสามมิติ และส่วนใหญ่จะถูกจัดอยู่ในโครงผลึกที่มีศูนย์กลางที่ใบหน้าหรือหกเหลี่ยม วิธีเซลลูล่าร์ก็เป็นไปได้เช่นกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกรองของเหลวที่มีอนุภาคผ่านสปอร์ขนาดเล็ก แม้ว่าวิธีรังผึ้งจะช่วยให้เกิดผลึกด้วยความเร็วที่ค่อนข้างสูง ซึ่งกำหนดโดยความเร็วของของเหลวที่ไหลผ่านรูพรุน อย่างไรก็ตาม เมื่อทำให้แห้งจะเกิดข้อบกพร่องในผลึกดังกล่าว มีวิธีการอื่นที่ใช้การก่อตัวของผลึกโฟโตนิกที่เกิดขึ้นเอง แต่แต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียในตัวเอง โดยส่วนใหญ่ วิธีการเหล่านี้ใช้ในการสะสมอนุภาคซิลิโคนคอลลอยด์ทรงกลม อย่างไรก็ตาม คอนทราสต์ของดัชนีการหักเหของแสงที่ได้นั้นค่อนข้างน้อย

2. วิธีการใช้การแกะสลักวัตถุ วิธีการกลุ่มนี้ใช้หน้ากากโฟโตรีซิสต์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งกำหนดรูปทรงของพื้นที่การแกะสลัก เมื่อใช้หน้ากากดังกล่าว ผลึกโฟโตนิกอย่างง่ายจะเกิดขึ้นโดยการกัดพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่เคลือบด้วยโฟโตรีซิสต์ ข้อเสียของวิธีนี้คือต้องใช้การพิมพ์หินด้วยแสงที่มีความละเอียดสูงที่ระดับสิบถึงร้อยนาโนเมตร ลำแสงของไอออนโฟกัส เช่น Ga ยังใช้ในการผลิตผลึกโฟโตนิกโดยการกัดด้วย คานไอออนดังกล่าวทำให้สามารถดึงส่วนหนึ่งของวัสดุออกได้โดยไม่ต้องใช้การพิมพ์หินด้วยแสงและการกัดเพิ่มเติม เพื่อเพิ่มความเร็วในการแกะสลักและปรับปรุงคุณภาพ เช่นเดียวกับการฝากวัสดุไว้ภายในบริเวณที่ถูกแกะสลัก จะใช้การบำบัดเพิ่มเติมด้วยก๊าซที่จำเป็น

3. วิธีการโฮโลแกรม วิธีการดังกล่าวขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้หลักการโฮโลแกรม การใช้โฮโลแกรมจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงเป็นระยะในทิศทางเชิงพื้นที่ ในการทำเช่นนี้จะใช้การรบกวนของคลื่นที่ต่อเนื่องกันตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไปซึ่งสร้างการกระจายความเข้มของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นระยะ ผลึกโฟโตนิกมิติเดียวถูกสร้างขึ้นโดยการรบกวนของคลื่นสองลูก ผลึกโฟโตนิกสองมิติและสามมิติถูกสร้างขึ้นโดยการรบกวนของคลื่นสามลูกขึ้นไป

การเลือกวิธีการเฉพาะในการผลิตคริสตัลโฟโตนิกนั้นส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยขนาดของโครงสร้างที่ต้องผลิต - มิติเดียว สองมิติ หรือสามมิติ

โครงสร้างคาบหนึ่งมิติวิธีที่ง่ายและพบได้บ่อยที่สุดในการรับโครงสร้างคาบ 1 มิติคือการสะสมของฟิล์มโพลีคริสตัลไลน์แบบชั้นต่อชั้นในสุญญากาศจากวัสดุอิเล็กทริกหรือเซมิคอนดักเตอร์ วิธีการนี้แพร่หลายมากขึ้นเนื่องจากการใช้โครงสร้างเป็นระยะในการผลิตกระจกเลเซอร์และตัวกรองสัญญาณรบกวน ในโครงสร้างดังกล่าว เมื่อใช้วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันประมาณ 2 เท่า (เช่น ZnSe และ Na 3 AlF 6) สามารถสร้างแถบสะท้อนสเปกตรัม (ช่องว่างของแถบโฟโตนิก) ได้กว้างถึง 300 นาโนเมตร ครอบคลุมเกือบ บริเวณที่มองเห็นได้ทั้งหมดของสเปกตรัม

ความก้าวหน้าในการสังเคราะห์โครงสร้างเฮเทอโรเซมิคอนดักเตอร์ในทศวรรษที่ผ่านมาทำให้สามารถสร้างโครงสร้างผลึกเดี่ยวได้อย่างสมบูรณ์โดยมีการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงเป็นระยะตามทิศทางการเจริญเติบโตโดยใช้เทคนิค epitaxy ของลำแสงโมเลกุลหรือเทคนิคการสะสมไอของออร์กาโนเมทัลลิก ปัจจุบันโครงสร้างดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องแนวตั้ง อัตราส่วนดัชนีการหักเหของวัสดุที่ทำได้สูงสุดในปัจจุบันสอดคล้องกับคู่ GaAs/Al 2 O 3 และมีค่าประมาณ 2 ควรสังเกตว่าโครงสร้างผลึกของกระจกดังกล่าวสมบูรณ์แบบในระดับสูงและความแม่นยำของการก่อตัวของความหนาของชั้นที่ ระดับหนึ่งคาบขัดแตะ (ประมาณ 0.5 นาโนเมตร)

เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการสร้างโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์หนึ่งมิติเป็นระยะ ๆ โดยใช้หน้ากากโฟโตลิโธกราฟิกและการแกะสลักแบบเลือกสรร เมื่อแกะสลักซิลิคอน สามารถสร้างโครงสร้างที่มีระยะเวลาตั้งแต่ 1 ไมครอนขึ้นไป ในขณะที่อัตราส่วนของดัชนีการหักเหของซิลิคอนและอากาศในบริเวณใกล้อินฟราเรดคือ 3.4 ซึ่งเป็นค่าที่มากอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนซึ่งไม่สามารถบรรลุได้โดยการสังเคราะห์แบบอื่น วิธีการ ตัวอย่างของโครงสร้างที่คล้ายกันที่ได้รับจากสถาบันฟิสิกส์-เทคนิคซึ่งตั้งชื่อตาม A.F. Ioffe RAS (เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก) แสดงในรูปที่. 3.96.

ข้าว. 3.96. โครงสร้างคาบของซิลิคอน - อากาศ ได้มาจากการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกโดยใช้หน้ากากโฟโตลิโธกราฟิก (คาบโครงสร้าง 8 μm)

โครงสร้างคาบสองมิติโครงสร้างคาบสองมิติสามารถประดิษฐ์ขึ้นได้โดยใช้การกัดแบบเลือกสรรของเซมิคอนดักเตอร์ โลหะ และไดอิเล็กทริก เทคโนโลยีการกัดแบบเลือกสรรได้รับการพัฒนาสำหรับซิลิคอนและอลูมิเนียมเนื่องจากมีการใช้วัสดุเหล่านี้อย่างแพร่หลายในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่นซิลิคอนที่มีรูพรุนถือเป็นวัสดุออปติคัลที่มีแนวโน้มซึ่งจะช่วยให้สามารถสร้างระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการบูรณาการสูงได้ การรวมกันของเทคโนโลยีซิลิคอนขั้นสูงที่มีเอฟเฟกต์ขนาดควอนตัมและหลักการของการก่อตัวของช่องว่างของแถบโฟโตนิกได้นำไปสู่การพัฒนาทิศทางใหม่ - ซิลิคอนโฟโตนิกส์

การใช้การพิมพ์หินซับไมครอนเพื่อสร้างมาสก์ทำให้สามารถสร้างโครงสร้างซิลิคอนที่มีระยะเวลา 300 นาโนเมตรหรือน้อยกว่าได้ เนื่องจากการดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้สูง ผลึกซิลิคอนโฟโตนิกจึงสามารถใช้ได้ในบริเวณอินฟราเรดใกล้และกลางของสเปกตรัมเท่านั้น โดยหลักการแล้ว การผสมผสานระหว่างการกัดกรดและออกซิเดชัน ทำให้สามารถเคลื่อนไปยังโครงสร้างอากาศซิลิกอนออกไซด์เป็นระยะๆ ได้ แต่ในขณะเดียวกัน อัตราส่วนดัชนีการหักเหของแสงต่ำ (1.45) ไม่อนุญาตให้เกิดช่องว่างแถบเต็มในสองมิติ

โครงสร้างคาบสองมิติจากสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ A 3 B 5 ซึ่งได้จากการกัดแบบเลือกสรรโดยใช้มาสก์หรือเทมเพลตการพิมพ์หินก็ดูมีแนวโน้มดี สารประกอบ A 3 B 5 เป็นวัสดุหลักของออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ สารประกอบ InP และ GaAs มีช่องว่างแถบความถี่ใหญ่กว่าซิลิคอน และค่าดัชนีการหักเหของแสงสูงเท่ากับซิลิคอน เท่ากับ 3.55 และ 3.6 ตามลำดับ

โครงสร้างคาบที่ใช้อะลูมิเนียมออกไซด์ดูน่าสนใจมาก (รูปที่ 3.97a) ได้มาจากการกัดด้วยเคมีไฟฟ้าของโลหะอลูมิเนียม บนพื้นผิวที่หน้ากากถูกสร้างขึ้นโดยใช้การพิมพ์หิน การใช้เทมเพลตการพิมพ์หินอิเล็กตรอน ทำให้ได้โครงสร้างคาบสองมิติที่สมบูรณ์แบบซึ่งมีลักษณะคล้ายรวงผึ้งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนน้อยกว่า 100 นาโนเมตร ควรสังเกตว่าการกัดอะลูมิเนียมแบบเลือกสรรภายใต้เงื่อนไขการกัดแบบผสมผสานทำให้ได้โครงสร้างปกติแม้ว่าจะไม่ต้องใช้มาสก์หรือเทมเพลตใดๆ (รูปที่ 3.97b) เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนอาจมีได้เพียงไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งไม่สามารถบรรลุได้ด้วยวิธีการพิมพ์หินสมัยใหม่ ช่วงเวลาของรูขุมขนสัมพันธ์กับการควบคุมตนเองของกระบวนการออกซิเดชันของอะลูมิเนียมในระหว่างปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า วัสดุนำไฟฟ้าเริ่มต้น (อลูมิเนียม) จะถูกออกซิไดซ์เป็น Al 2 O 3 ในระหว่างปฏิกิริยา ฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งเป็นอิเล็กทริกจะลดกระแสและทำให้ปฏิกิริยาช้าลง การรวมกันของกระบวนการเหล่านี้ช่วยให้เกิดระบบปฏิกิริยาแบบยั่งยืนในตัวเอง ซึ่งการกัดแบบต่อเนื่องเกิดขึ้นได้โดยการผ่านของกระแสผ่านรูพรุน และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะสร้างโครงสร้างรวงผึ้งปกติ ความผิดปกติบางประการของรูพรุน (รูปที่ 3.97b) เกิดจากโครงสร้างเม็ดละเอียดของฟิล์มอะลูมิเนียมโพลีคริสตัลไลน์ดั้งเดิม

ข้าว. 3.97. คริสตัลโฟโตนิกสองมิติจาก Al 2 O 3: a) ทำโดยใช้หน้ากากพิมพ์หิน; b) ผลิตโดยใช้การควบคุมตนเองของกระบวนการออกซิเดชั่น

การศึกษาคุณสมบัติทางแสงของอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีรูพรุนขนาดนาโนแสดงให้เห็นความโปร่งใสของวัสดุนี้สูงผิดปกติตามทิศทางของรูพรุน การไม่มีการสะท้อนของเฟรสซึ่งมีอยู่อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อต่อเนื่องสองตัวทำให้ค่าการส่งผ่านสูงถึง 98% ในทิศทางที่ตั้งฉากกับรูพรุน จะสังเกตการสะท้อนสูงโดยมีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบ

ค่าที่ค่อนข้างต่ำของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอลูมิเนียมออกไซด์ตรงกันข้ามกับซิลิคอน, แกลเลียมอาร์เซไนด์และอินเดียมฟอสไฟด์ไม่อนุญาตให้มีการก่อตัวของช่องว่างแบบเต็มวงในสองมิติ อย่างไรก็ตาม ถึงกระนั้น คุณสมบัติทางแสงของอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีรูพรุนก็ค่อนข้างน่าสนใจ ตัวอย่างเช่น มีการกระเจิงของแสงแบบแอนไอโซโทรปิกที่เด่นชัด เช่นเดียวกับการรีฟริงเจนซ์ ซึ่งทำให้สามารถใช้เพื่อหมุนระนาบโพลาไรเซชันได้ ด้วยการใช้วิธีทางเคมีต่างๆ คุณสามารถเติมออกไซด์ต่างๆ ในรูขุมขนได้ เช่นเดียวกับวัสดุที่มีฤทธิ์ทางแสง เช่น ตัวกลางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้น สารเรืองแสงอินทรีย์และอนินทรีย์ และสารประกอบที่เรืองแสงด้วยไฟฟ้า

โครงสร้างคาบสามมิติโครงสร้างคาบสามมิติเป็นวัตถุที่มีความยากทางเทคโนโลยีมากที่สุดสำหรับการดำเนินการทดลอง ในอดีต วิธีแรกในการสร้างคริสตัลโฟโตนิกสามมิติถือเป็นวิธีการที่ใช้การเจาะเชิงกลของรูทรงกระบอกในปริมาณมากของวัสดุ เสนอโดย E. Yablonovich การผลิตโครงสร้างคาบเป็นสามมิตินั้นเป็นงานที่ต้องใช้แรงงานมาก นักวิจัยจำนวนมากจึงพยายามสร้างคริสตัลโฟโตนิกโดยใช้วิธีอื่น ดังนั้นในวิธี Lin–Fleming ชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์จะถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นของซิลิกอน ซึ่งจากนั้นจะสร้างแถบขนานขึ้นและเต็มไปด้วยซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ จากนั้นให้ทำซ้ำขั้นตอนการใช้ซิลิกอนไดออกไซด์ แต่แถบจะเกิดขึ้นในทิศทางตั้งฉาก หลังจากสร้างชั้นตามจำนวนที่ต้องการแล้ว ซิลิคอนออกไซด์จะถูกกำจัดออกโดยการแกะสลัก เป็นผลให้เกิด "กองไม้" ของแท่งโพลีซิลิคอน (รูปที่ 3.98) ควรสังเกตว่าการใช้วิธีการสมัยใหม่ในการพิมพ์หินอิเล็กตรอนระดับซับไมครอนและการกัดไอออนแบบแอนไอโซทรอปิกทำให้ได้ผลึกโฟโตนิกที่มีความหนาน้อยกว่า 10 เซลล์โครงสร้าง

ข้าว. 3.98. โครงสร้างโฟโตนิกสามมิติทำจากแท่งโพลีซิลิคอน

วิธีการสร้างคริสตัลโฟโตนิกในช่วงที่มองเห็นได้โดยใช้โครงสร้างที่สามารถจัดระเบียบตัวเองได้แพร่หลายมากขึ้น แนวคิดในการ "ประกอบ" ผลึกโฟโตนิกจากทรงกลม (ลูกบอล) นั้นถูกยืมมาจากธรรมชาติ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโอปอลธรรมชาติมีคุณสมบัติของผลึกโฟโตนิก โอปอลแร่ธรรมชาติในองค์ประกอบทางเคมีคือซิลิคอนไดออกไซด์ไฮโดรเจล SiO 2 × H 2 O ซึ่งมีปริมาณน้ำแปรผัน: SiO 2 – 65 – 90 โดยน้ำหนัก - H 2 O – 4.5–20%; อัล 2 โอ 3 – มากถึง 9%; เฟ 2 โอ 3 – มากถึง 3%; TiO 2 – มากถึง 5% ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน พบว่าโอปอลธรรมชาติเกิดขึ้นจากอนุภาค α-SiO 2 ทรงกลมที่อัดแน่นหนาแน่นซึ่งมีขนาดสม่ำเสมอกัน โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 – 450 นาโนเมตร แต่ละอนุภาคประกอบด้วยรูปร่างทรงกลมขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5–50 นาโนเมตร ช่องว่างในการบรรจุทรงกลมจะเต็มไปด้วยซิลิคอนออกไซด์อสัณฐาน ความเข้มของแสงที่หักเหได้รับอิทธิพลจากปัจจัยสองประการ: ประการแรกคือ "อุดมคติ" ของการอัดแน่นของทรงกลมที่หนาแน่นที่สุด ประการที่สองคือความแตกต่างในดัชนีการหักเหของ SiO 2 ออกไซด์อสัณฐานและผลึก โอปอลสีดำอันสูงส่งมีการเล่นแสงที่ดีที่สุด (สำหรับพวกเขาความแตกต่างของค่าดัชนีการหักเหของแสงคือ ~ 0.02)

เป็นไปได้ที่จะสร้างผลึกโฟโตนิกทรงกลมจากอนุภาคคอลลอยด์ในรูปแบบต่างๆ: การตกตะกอนตามธรรมชาติ (การตกตะกอนของเฟสที่กระจายตัวในของเหลวหรือก๊าซภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงหรือแรงเหวี่ยง), การหมุนเหวี่ยง, การกรองโดยใช้เมมเบรน, อิเล็กโตรโฟรีซิส ฯลฯ อนุภาคทรงกลมทำหน้าที่เป็นอนุภาคคอลลอยด์โพลีสไตรีน, โพลีเมทิลเมทาคริเลต, อนุภาคของซิลิคอนไดออกไซด์ α-SiO 2

วิธีการตกตะกอนตามธรรมชาติเป็นกระบวนการที่ช้ามาก ซึ่งต้องใช้เวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน การหมุนเหวี่ยงช่วยเร่งกระบวนการก่อตัวของผลึกคอลลอยด์อย่างมาก แต่วัสดุที่ได้รับในลักษณะนี้จะถูกเรียงลำดับน้อยกว่าเนื่องจากที่อัตราการตกตะกอนสูง การแยกอนุภาคตามขนาดไม่มีเวลาเกิดขึ้น เพื่อเร่งกระบวนการตกตะกอน มีการใช้อิเล็กโตรโฟรีซิส โดยจะสร้างสนามไฟฟ้าแนวตั้งที่ "เปลี่ยน" แรงโน้มถ่วงของอนุภาคตามขนาดของอนุภาค นอกจากนี้ยังใช้วิธีการที่ใช้แรงของเส้นเลือดฝอยอีกด้วย แนวคิดพื้นฐานก็คือภายใต้การกระทำของแรงของเส้นเลือดฝอย การตกผลึกจะเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานวงเดือนระหว่างสารตั้งต้นในแนวตั้งกับสารแขวนลอย และเมื่อตัวทำละลายระเหย ก็จะเกิดโครงสร้างที่เป็นระเบียบขึ้น นอกจากนี้ ยังมีการใช้การไล่ระดับอุณหภูมิในแนวตั้ง ซึ่งทำให้สามารถปรับความเร็วของกระบวนการและคุณภาพของคริสตัลที่สร้างขึ้นเนื่องจากการไหลเวียนของการพาความร้อนได้ดียิ่งขึ้น โดยทั่วไป การเลือกเทคนิคจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านคุณภาพของผลึกที่เกิดขึ้นและเวลาที่ใช้ในการผลิต

กระบวนการทางเทคโนโลยีในการปลูกโอปอลสังเคราะห์โดยใช้การตกตะกอนตามธรรมชาติสามารถแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน เริ่มแรกเตรียมสารแขวนลอยแบบ monodisperse (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5%) ของทรงกลมซิลิคอนออกไซด์ เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคโดยเฉลี่ยอาจแตกต่างกันในช่วงกว้าง: ตั้งแต่ 200 ถึง 1,000 นาโนเมตร วิธีการที่รู้จักกันดีที่สุดในการผลิตอนุภาคไมโครคอลลอยด์แบบ monodisperse ของซิลิคอนไดออกไซด์นั้นขึ้นอยู่กับการไฮโดรไลซิสของ tetraethoxysilane Si(C 2 H 4 OH) 4 ในตัวกลางแอลกอฮอล์ที่เป็นน้ำโดยมีแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา วิธีการนี้สามารถสร้างอนุภาคที่มีพื้นผิวเรียบซึ่งมีรูปร่างเป็นทรงกลมเกือบในอุดมคติ โดยมีการกระจายตัวแบบเดี่ยวในระดับสูง (เส้นผ่านศูนย์กลางเบี่ยงเบนน้อยกว่า 3%) รวมทั้งสร้างอนุภาคที่มีขนาดน้อยกว่า 200 นาโนเมตรด้วยการกระจายขนาดที่แคบ โครงสร้างภายในของอนุภาคดังกล่าวเป็นแบบแฟร็กทัล: อนุภาคประกอบด้วยทรงกลมที่อัดแน่นด้วยขนาดที่เล็กกว่า (เส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบนาโนเมตร) และแต่ละทรงกลมนั้นถูกสร้างขึ้นโดยโพลีไฮดรอกซีซิลิคอนเชิงซ้อนซึ่งประกอบด้วยอะตอม 10–100 อะตอม

ขั้นต่อไปคือการสะสมของอนุภาค (รูปที่ 3.99) มันสามารถอยู่ได้นานหลายเดือน เมื่อเสร็จสิ้นขั้นตอนการสะสม จะเกิดโครงสร้างคาบที่อัดแน่นขึ้น จากนั้นเงินฝากจะถูกทำให้แห้งและอบอ่อนที่อุณหภูมิประมาณ 600 ºС ในระหว่างกระบวนการหลอม การอ่อนตัวและการเสียรูปของทรงกลมจะเกิดขึ้นที่จุดที่สัมผัสกัน เป็นผลให้ความพรุนของโอปอลสังเคราะห์น้อยกว่านั้นสำหรับการบรรจุทรงกลมที่มีความหนาแน่นในอุดมคติ ตั้งฉากกับทิศทางของแกนการเติบโตของโฟโตนิกคริสตัล ทรงกลมจะก่อตัวเป็นชั้นอัดแน่นหกเหลี่ยมที่มีลำดับสูง

ข้าว. 3.99. ขั้นตอนของการเจริญเติบโตของโอปอลสังเคราะห์: ก) การสะสมของอนุภาค;

b) ทำให้ตะกอนแห้ง c) การหลอมตัวอย่าง

ในรูป รูปที่ 3.100a แสดงไมโครกราฟของโอปอลสังเคราะห์ที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ขนาดของทรงกลมคือ 855 นาโนเมตร การมีรูพรุนแบบเปิดในโอปอลสังเคราะห์ทำให้ช่องว่างเต็มไปด้วยวัสดุต่างๆ เมทริกซ์โอปอลเป็นโครงย่อยสามมิติของรูพรุนขนาดนาโนที่เชื่อมต่อถึงกัน ขนาดของรูพรุนอยู่ที่หลายร้อยนาโนเมตร ขนาดของช่องที่เชื่อมต่อรูพรุนนั้นสูงถึงหลายสิบนาโนเมตร ด้วยวิธีนี้จะได้นาโนคอมโพสิตจากผลึกโฟโตนิก ข้อกำหนดหลักที่หยิบยกขึ้นมาเมื่อสร้างนาโนคอมโพสิตคุณภาพสูงคือการเติมพื้นที่ที่มีรูพรุนระดับนาโนให้สมบูรณ์ การบรรจุทำได้หลายวิธี: การฉีดจากสารละลายลงในการหลอม การทำให้ชุ่มด้วยสารละลายเข้มข้นตามด้วยการระเหยของตัวทำละลาย วิธีเคมีไฟฟ้า การสะสมไอสารเคมี ฯลฯ

ข้าว. 3.100. ภาพถ่ายไมโครโฟโต้นิกคริสตัล: ก) จากโอปอลสังเคราะห์;

b) จากโพลีสไตรีนไมโครสเฟียร์

เมื่อเลือกการกัดซิลิคอนออกไซด์จากคอมโพสิตดังกล่าว โครงสร้างนาโนที่มีลำดับเชิงพื้นที่มีความพรุนสูง (มากกว่า 74% ของปริมาตร) เรียกว่าโอปอลแบบกลับด้านหรือกลับด้าน วิธีการผลิตคริสตัลโฟโตนิกนี้เรียกว่าวิธีเทมเพลต ไม่เพียงแต่อนุภาคซิลิคอนออกไซด์เท่านั้น แต่ยังรวมถึง อนุภาคโพลีเมอร์สามารถทำหน้าที่เป็นอนุภาคคอลลอยด์ที่กระจายตัวเดี่ยวตามลำดับซึ่งก่อตัวเป็นผลึกโฟโตนิก ตัวอย่างของโฟโตนิกคริสตัลที่ใช้โพลีสไตรีนไมโครสเฟียร์แสดงไว้ในรูปที่ 1 3.100บ

ในทศวรรษที่ผ่านมา การพัฒนาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้ชะลอตัวลง เนื่องจากเกือบจะถึงขีดจำกัดความเร็วของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มาตรฐานแล้ว การศึกษาจำนวนมากขึ้นมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาพื้นที่ทางเลือกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ สปินทรอนิกส์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่มีองค์ประกอบตัวนำยิ่งยวด โฟโตนิกส์ และอื่น ๆ อีกมากมาย

หลักการใหม่ของการส่งและประมวลผลข้อมูลโดยใช้แสงแทนสัญญาณไฟฟ้าสามารถเร่งการเริ่มต้นของยุคข้อมูลข่าวสารใหม่ได้

จากคริสตัลธรรมดาไปจนถึงคริสตัลโฟโตนิก

พื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แห่งอนาคตอาจเป็นคริสตัลโฟโตนิกซึ่งเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่เรียงลำดับซึ่งค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะภายในโครงสร้าง ในโครงตาข่ายคริสตัลของเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ความสม่ำเสมอและช่วงเวลาของการจัดเรียงอะตอมนำไปสู่การก่อตัวของโครงสร้างพลังงานแถบที่เรียกว่าโดยมีแถบที่อนุญาตและต้องห้าม อิเล็กตรอนที่มีพลังงานอยู่ในแถบความถี่ที่อนุญาตสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ คริสตัลได้ แต่อิเล็กตรอนที่มีพลังงานอยู่ในแถบความถี่จะ "ถูกล็อค"

โดยการเปรียบเทียบกับคริสตัลทั่วไป ความคิดของคริสตัลโฟโตนิกก็เกิดขึ้น ในนั้นช่วงเวลาของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกทำให้เกิดโซนโฟโตนิกโดยเฉพาะโซนต้องห้ามซึ่งภายในนั้นการแพร่กระจายของแสงที่มีความยาวคลื่นบางอย่างถูกระงับ กล่าวคือ เนื่องจากมีความโปร่งใสต่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในวงกว้าง ผลึกโฟโตนิกจึงไม่ส่งแสงที่มีความยาวคลื่นที่เลือก (เท่ากับสองเท่าของคาบของโครงสร้างตามความยาวของเส้นทางแสง)

ผลึกโฟโตนิกสามารถมีมิติที่แตกต่างกันได้ ผลึกหนึ่งมิติ (1D) เป็นโครงสร้างหลายชั้นที่สลับชั้นกันโดยมีดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน ผลึกโฟโตนิกสองมิติ (2D) สามารถแสดงเป็นโครงสร้างคาบของแท่งที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกัน ต้นแบบคริสตัลโฟโตนิกสังเคราะห์ชิ้นแรกเป็นแบบสามมิติและสร้างขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โดยพนักงานของศูนย์วิจัย เบลล์แล็บส์(สหรัฐอเมริกา). เพื่อให้ได้โครงตาข่ายเป็นระยะในวัสดุอิเล็กทริก นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้เจาะรูทรงกระบอกเพื่อให้ได้โครงข่ายช่องว่างสามมิติ เพื่อให้วัสดุกลายเป็นผลึกโฟโตนิก ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของมันถูกมอดูเลตด้วยคาบ 1 เซนติเมตรในสามมิติทั้งหมด

ความคล้ายคลึงกันตามธรรมชาติของคริสตัลโฟโตนิกคือการเคลือบเปลือกหอยมุก (1D) หนวดของหนูทะเล หนอนโพลีคาเอต (2D) ปีกของผีเสื้อหางแฉกแอฟริกัน และหินกึ่งมีค่า เช่น โอปอล ( 3 มิติ)

แต่แม้กระทั่งทุกวันนี้ แม้จะใช้วิธีการพิมพ์หินอิเล็กตรอนและการกัดไอออนแบบแอนไอโซทรอปิกที่ทันสมัยที่สุดและมีราคาแพงที่สุด แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะผลิตผลึกโฟโตนิกสามมิติที่ปราศจากข้อบกพร่องซึ่งมีความหนามากกว่า 10 เซลล์โครงสร้าง

คริสตัลโฟโตนิกควรพบการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในเทคโนโลยีรวมโฟโตนิก ซึ่งในอนาคตจะมาแทนที่วงจรรวมไฟฟ้าในคอมพิวเตอร์ เมื่อส่งข้อมูลโดยใช้โฟตอนแทนอิเล็กตรอน การใช้พลังงานจะลดลงอย่างรวดเร็ว ความถี่สัญญาณนาฬิกาและความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลจะเพิ่มขึ้น

คริสตัลโทนิคไทเทเนียมออกไซด์

ไทเทเนียมออกไซด์ TiO 2 มีชุดคุณลักษณะเฉพาะ เช่น ดัชนีการหักเหของแสงสูง ความคงตัวทางเคมี และความเป็นพิษต่ำ ซึ่งทำให้เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการสร้างผลึกโฟโตนิกแบบหนึ่งมิติ หากเราพิจารณาคริสตัลโฟโตนิกสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ไทเทเนียมออกไซด์จะชนะที่นี่เนื่องจากคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ ก่อนหน้านี้ มีการแสดงให้เห็นการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เมื่อใช้ชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีโครงสร้างผลึกโฟโตนิกเป็นระยะ รวมถึงคริสตัลโฟโตนิกไททาเนียมออกไซด์

แต่จนถึงขณะนี้ การใช้คริสตัลโฟโตนิกที่มีไททาเนียมไดออกไซด์ถูกจำกัดด้วยการขาดเทคโนโลยีที่ทำซ้ำได้และราคาไม่แพงสำหรับการสร้างสรรค์

พนักงานของคณะเคมีและคณะวัสดุศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก - Nina Sapoletova, Sergei Kushnir และ Kirill Napolsky - ได้ปรับปรุงการสังเคราะห์ผลึกโฟโตนิกหนึ่งมิติโดยใช้ฟิล์มไทเทเนียมออกไซด์ที่มีรูพรุน

“อโนไดซ์ (ออกซิเดชันเคมีไฟฟ้า) ของโลหะวาล์ว รวมถึงอะลูมิเนียมและไทเทเนียม เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการผลิตฟิล์มออกไซด์ที่มีรูพรุนด้วยช่องขนาดนาโนเมตร” Kirill Napolsky หัวหน้ากลุ่มโครงสร้างนาโนเคมีไฟฟ้า ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์เคมี อธิบาย

อโนไดซ์มักจะดำเนินการในเซลล์ไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าสองอิเล็กโทรด แผ่นโลหะสองแผ่น ได้แก่ แคโทดและแอโนด ถูกหย่อนลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ และใช้แรงดันไฟฟ้า ไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมาที่แคโทด และปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าของโลหะเกิดขึ้นที่ขั้วบวก หากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเซลล์มีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ ฟิล์มที่มีรูพรุนที่มีความพรุนตามความหนาที่กำหนดจะเกิดขึ้นบนขั้วบวก

ดัชนีการหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพจะถูกปรับหากเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเปลี่ยนแปลงเป็นระยะภายในโครงสร้าง เทคนิคการอโนไดซ์ไทเทเนียมที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ไม่ได้ทำให้ได้วัสดุที่มีโครงสร้างเป็นคาบในระดับสูง นักเคมีจาก Moscow State University ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการชุบอโนไดซ์โลหะด้วยการปรับแรงดันไฟฟ้าโดยขึ้นอยู่กับประจุของอโนไดซ์ ซึ่งทำให้สามารถสร้างออกไซด์ของโลหะขั้วบวกที่มีรูพรุนได้ด้วยความแม่นยำสูง นักเคมีได้สาธิตความสามารถของเทคนิคใหม่โดยใช้ตัวอย่างผลึกโฟโตนิกมิติเดียวที่ทำจากไทเทเนียมออกไซด์ขั้วบวก

จากผลของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของอโนไดซ์ตามกฎไซน์ซอยด์ในช่วง 40–60 โวลต์ นักวิทยาศาสตร์จึงได้รับท่อนาโนไทเทเนียมออกไซด์ขั้วบวกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกคงที่และเส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ (ดูรูป)

“เทคนิคอโนไดซ์ที่ใช้ก่อนหน้านี้ไม่ได้ทำให้ได้วัสดุที่มีโครงสร้างเป็นคาบในระดับสูง เราได้พัฒนาเทคนิคใหม่ซึ่งมีองค์ประกอบสำคัญคือ ในแหล่งกำเนิด(โดยตรงระหว่างการสังเคราะห์) การวัดค่าประจุอโนไดซ์ ซึ่งทำให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นที่มีความพรุนต่างกันในฟิล์มออกไซด์ที่เกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำสูง” Sergei Kushnir หนึ่งในผู้เขียนผลงาน ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์เคมี อธิบาย

เทคนิคที่พัฒนาขึ้นจะทำให้การสร้างวัสดุใหม่ง่ายขึ้นด้วยโครงสร้างมอดูเลตที่ใช้ออกไซด์ของโลหะขั้วบวก “หากเราพิจารณาการใช้คริสตัลโฟโตนิกที่ทำจากขั้วบวกไททาเนียมออกไซด์ในเซลล์แสงอาทิตย์เป็นการใช้งานจริงของเทคนิค ดังนั้นการศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับอิทธิพลของพารามิเตอร์โครงสร้างของผลึกโฟโตนิกดังกล่าวต่อประสิทธิภาพของการแปลงแสงในเซลล์แสงอาทิตย์มี ยังไม่ได้ดำเนินการ” Sergey Kushnir ชี้แจง

เรียงความ

การประดิษฐ์คริสตัลโฟโตนิก

การสร้างคริสตัลโฟโตนิกสามมิติในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ยังคงเป็นปัญหาหลักประการหนึ่งของวัสดุศาสตร์ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา สำหรับการแก้ปัญหาที่นักวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่แนวทางที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสองวิธี: การใช้วิธีเทมเพลต ที่สร้างข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการจัดองค์กรตนเองของระบบนาโนสังเคราะห์และการพิมพ์หินนาโน

ในบรรดาวิธีการกลุ่มแรกๆ วิธีที่ใช้แพร่หลายมากที่สุดคือวิธีที่ใช้ทรงกลมคอลลอยด์แบบ monodisperse เป็นแม่แบบสำหรับการสร้างของแข็งที่มีระบบรูพรุนเป็นระยะ วิธีการเหล่านี้ทำให้ได้ผลึกโฟโตนิกจากโลหะ อโลหะ ออกไซด์ เซมิคอนดักเตอร์ โพลีเมอร์ ฯลฯ วิธีการทั้งหมดนี้ประกอบด้วยขั้นตอนทั่วไปหลายขั้นตอน (รูปที่ 22)

ข้าว. 22.โครงร่างการสังเคราะห์เทมเพลตของผลึกโฟโตนิก

ในระยะแรก ทรงกลมคอลลอยด์ที่มีขนาดใกล้เคียงกันจะถูก "อัดแน่น" อย่างสม่ำเสมอในรูปแบบของกรอบงานสามมิติ (บางครั้งเป็นสองมิติ) ซึ่งต่อมาทำหน้าที่เป็นแม่แบบ (รูปที่ 22a) ในการสั่งซื้อทรงกลม นอกเหนือจากการตกตะกอนตามธรรมชาติ (ที่เกิดขึ้นเอง) การหมุนเหวี่ยง การกรองเมมเบรน และอิเล็กโทรโฟเรซิสยังถูกนำมาใช้อีกด้วย นอกจากนี้ ในกรณีของการใช้ควอตซ์ทรงกลม วัสดุที่ได้จะเป็นอะนาลอกสังเคราะห์ของโอปอลธรรมชาติ

ในขั้นตอนที่สอง ช่องว่างในโครงสร้างเทมเพลตจะถูกชุบด้วยของเหลว ซึ่งต่อมาจะกลายเป็นกรอบทึบภายใต้อิทธิพลทางเคมีกายภาพต่างๆ วิธีอื่นในการเติมช่องว่างของเทมเพลตด้วยสารคือวิธีเคมีไฟฟ้าหรือวิธี CVD (รูปที่ 22b)

ในขั้นตอนสุดท้าย แม่แบบ (ทรงกลมคอลลอยด์) จะถูกลบออกโดยใช้กระบวนการละลายหรือสลายตัวด้วยความร้อน (รูปที่ 22c) ขึ้นอยู่กับลักษณะของมัน โครงสร้างที่เกิดขึ้นมักเรียกว่าแบบจำลองแบบย้อนกลับของผลึกคอลลอยด์ดั้งเดิมหรือ "โอปอลแบบย้อนกลับ"

เห็นได้ชัดว่าทรงกลมที่ใช้เป็นแม่แบบสำหรับการก่อตัวของของแข็งที่มีรูพรุนจะต้องเปียกโดยสารตั้งต้นที่ใช้ และจะต้องถูกกำจัดออกอย่างง่ายดายภายใต้เงื่อนไขที่โครงสร้างเฟรมเวิร์กที่สร้างขึ้นไม่ถูกทำลาย นอกจากนี้ เพื่อให้วัสดุที่มีรูพรุนขั้นสุดท้ายมีคุณสมบัติโฟโตนิก ทรงกลมจะต้องมีการกระจายขนาดที่แคบ: เส้นผ่านศูนย์กลางไม่ควรแตกต่างจากขนาดเฉลี่ยมากกว่า 5-8%

กรอบแม่แบบที่ประกอบด้วยอนุภาคคอลลอยด์แบบกระจายตัวเดี่ยวตามลำดับมักเรียกว่า "ผลึกคอลลอยด์" ในเอกสารวิจัย (ดูรูปที่ 22a) ตามกฎแล้ว ทรงกลมควอตซ์หรือโพลีเมอร์ลาเท็กซ์ถูกนำมาใช้ในการก่อตัว ถึงแม้ว่ากรณีของการใช้หยดอิมัลชัน ทองคำ และผลึกนาโนเซมิคอนดักเตอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโมโนดิสเพอร์สจะถูกอธิบายไว้ในเอกสารวิจัยก็ตาม

สำหรับการใช้งานจริง พื้นที่ที่ปราศจากข้อบกพร่องในคริสตัลโฟโตนิกไม่ควรเกิน 1,000 ไมโครเมตร 2 ดังนั้นปัญหาในการสั่งซื้ออนุภาคทรงกลมของควอตซ์และโพลีเมอร์จึงเป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดในการสร้างผลึกโฟโตนิก

การตกตะกอนของอนุภาคคอลลอยด์ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะเป็นการจำลองกลไกตามธรรมชาติของการก่อตัวของโอปอลตามธรรมชาติ วิธีนี้จึงได้รับการศึกษาอย่างละเอียดมาเป็นเวลานานพอสมควร ในระหว่างกระบวนการตกตะกอนในระยะยาว อนุภาคจะถูกแยกตามขนาด ซึ่งทำให้ได้ตัวอย่างโอปอลสังเคราะห์ที่ได้รับการจัดลำดับอย่างดี แม้ว่าทรงกลมควอตซ์ที่ใช้จะมีขนาดแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญก็ตาม

อย่างไรก็ตาม การสะสมตามธรรมชาติเป็นกระบวนการที่ช้ามาก โดยปกติจะใช้เวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลมไม่เกิน 300 นาโนเมตร การหมุนเหวี่ยงสามารถเร่งกระบวนการสร้างผลึกคอลลอยด์ให้เร็วขึ้นได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ได้รับภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวจะได้รับการจัดลำดับน้อยกว่า เนื่องจากที่อัตราการสะสมสูง การแยกอนุภาคตามขนาดจึงไม่มีเวลาเกิดขึ้น ในกรณีนี้ ดังที่แสดงในงาน คุณภาพของโอปอลที่ได้นั้นจะได้รับอิทธิพลอย่างมากจากความเร็วของการปั่นแยก

ดังนั้น เมื่อสะสมอนุภาคควอตซ์ทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 375-480 นาโนเมตร ผลึกคอลลอยด์ที่ได้รับการจัดลำดับดีที่สุดได้มาจากการหมุนเหวี่ยงที่ความเร็ว 4,000 รอบต่อนาที ที่ความเร็ว 3,000 และ 5,000 รอบต่อนาที ตัวอย่างจะถูกจัดเรียงได้ไม่ดีนัก

ข้าว. 23. อิทธิพลของอิเล็กโตรโฟรีซิสต่อการสะสมของอนุภาคทรงกลมควอตซ์ขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 870 นาโนเมตร: ก) – ไม่ได้ใช้อิเล็กโทรโฟรีซิส b) - ใช้อิเล็กโทรโฟเรซิส

วิธีการสะสมตามธรรมชาตินั้นเกี่ยวข้องกับความยากลำบากหลายประการ หากขนาดของทรงกลมควอตซ์มีขนาดเล็กพอ (< 300 нм), они могут не образовать осадка, поскольку энергия теплового движения становится сопоставимой с энергией гравитационного поля. С другой стороны, при осаждении крупных сфер (диаметром >550 นาโนเมตร) อัตราการทับถมของพวกมันสูงมากจนเป็นเรื่องยากที่จะได้รับอาร์เรย์ที่ได้รับคำสั่ง และด้วยการเพิ่มขนาดของทรงกลมในเวลาต่อมา มันแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย

ในการนี้อิเล็กโตรโฟเรซิสถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มอัตราการตกตะกอนของทรงกลมขนาดเล็กและลดอัตราการตกตะกอนของทรงกลมขนาดใหญ่ ในการทดลองเหล่านี้ สนามไฟฟ้าแนวตั้ง (ขึ้นอยู่กับทิศทาง) ในบางกรณี “เพิ่มขึ้น” และในบางกรณี “ลด” แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออนุภาค ตามที่คาดไว้ ยิ่งกระบวนการสะสมช้าลงเท่าไร ตัวอย่างก็จะยิ่งมีลำดับมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น งานแสดงให้เห็นว่าในระหว่างการสะสมตามธรรมชาติของอนุภาคควอตซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 870 นาโนเมตร จะเกิดผลึกคอลลอยด์ที่มีโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ (รูปที่ 23a) การใช้อิเล็กโตรโฟเรซิสทำให้ได้วัสดุที่มีการจัดลำดับค่อนข้างดี (รูปที่ 23b) เมื่อสะสมอนุภาคควอตซ์ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 205 นาโนเมตร การใช้อิเล็กโทรโฟรีซิสจะเพิ่มอัตราการตกตะกอนอย่างมีนัยสำคัญ (จาก 0.09 ในกรณีที่เกิดการสะสมตามธรรมชาติเป็น 0.35 มม./ชม.) เป็นผลให้ผลึกคอลลอยด์ไม่ได้ก่อตัวขึ้นใน 2 เดือน แต่ภายในเวลาไม่ถึงสองสัปดาห์ และคุณสมบัติทางแสงไม่มีการเสื่อมสภาพ

อีกวิธีหนึ่งในการสั่งซื้อทรงกลมคอลลอยด์คือวิธีการสะสมบนเยื่อหุ้มเซลล์ ดังนั้นในงานดังกล่าว จึงได้ผลึกโพลีเมอร์คอลลอยด์โดยการกรองสารแขวนลอยที่มีทรงกลมน้ำยางเป็นส่วนใหญ่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300-1,000 นาโนเมตร ผ่านเมมเบรนโพลีคาร์บอเนตเรียบที่มีรูพรุนขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร ซึ่งคงทรงกลมขนาดใหญ่ไว้โดยปล่อยให้ตัวทำละลายและมีขนาดเล็กลง ทรงกลมที่จะผ่านไป

เมื่อเร็วๆ นี้ วิธีการสั่งซื้อทรงกลมคอลลอยด์โดยใช้แรงของเส้นเลือดฝอยเริ่มแพร่หลายมากขึ้น มีการแสดงให้เห็นว่าการตกผลึกของอนุภาคซับไมครอนที่ขอบเขตวงเดือนระหว่างสารตั้งต้นในแนวตั้งและสารแขวนลอยคอลลอยด์ในขณะที่สารแขวนลอยคอลลอยด์ระเหยออกไปทำให้เกิดการก่อตัวของโครงสร้างที่บาง แบน และเป็นระเบียบเรียบร้อย ในเวลาเดียวกัน เชื่อกันว่าการใช้วิธีนี้เพื่อให้ได้ผลึกคอลลอยด์จากอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง > 400 นาโนเมตรนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากตามกฎแล้วการสะสมของอนุภาคขนาดใหญ่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจะเกิดขึ้นเร็วกว่าการเคลื่อนที่ของ วงเดือนตามแนวพื้นผิวเนื่องจากการระเหยของตัวทำละลาย สิ่งนี้สร้างปัญหาบางประการสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ของวิธีการนี้: ผลึกโฟโตนิกในช่วงความยาวคลื่นที่สำคัญที่สุดสำหรับการสื่อสารสมัยใหม่ 1.3-1.5 ไมครอนถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง 700-900 นาโนเมตร

ปัญหานี้แก้ไขได้โดยใช้การไล่ระดับอุณหภูมิที่เริ่มต้นการพาความร้อน: กระแสการพาความร้อนชะลอการตกตะกอน เร่งการระเหย และนำไปสู่การไหลอย่างต่อเนื่องของอนุภาคทรงกลมไปยังวงเดือน (รูปที่ 24) ดังนั้น ด้วยการใช้วิธีนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะสามารถสั่งซื้อทรงกลมควอตซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.86 ไมครอนบนพื้นผิวซิลิโคนได้ จะต้องเน้นย้ำว่าวัสดุของโครงสร้างที่ได้นั้นมีลักษณะเฉพาะโดยมีจุดบกพร่องที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ และผลึกคอลลอยด์ของควอตซ์เองก็มีขนาดใหญ่กว่าที่เคยได้รับมาก่อนหน้านี้มาก

วิธีง่ายๆ ในการผลิตผลึกคอลลอยด์ที่ไม่จำเป็นต้องมีเงื่อนไขการทดลองที่รุนแรง: การเรียงลำดับอนุภาคทรงกลมโพลีสไตรีนเกิดขึ้นบนผิวน้ำโดยการเพิ่มอุณหภูมิของสารแขวนลอยเป็น 90°C เท่านั้น ในระหว่างการทดลอง ลูกยางทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 240 นาโนเมตรยังคงแขวนลอยอยู่ในสารละลายที่อุณหภูมิคงที่เป็นเวลานานกว่า 2 เดือน เนื่องจากการระเหยของสารละลายเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความเข้มข้นของอนุภาคคอลลอยด์บนพื้นผิวจึงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งนำไปสู่การจัดระเบียบตนเอง (ภายใต้อิทธิพลของแรงของเส้นเลือดฝอย) ในพื้นที่ที่ได้รับคำสั่ง

ข้าว. 24 - วิธีการสั่งซื้อควอตซ์ทรงกลมขนาดใหญ่บนพื้นผิวของซับสเตรตในแนวตั้ง โดยใช้การกระทำของแรงฝอยและการไล่ระดับอุณหภูมิ

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของทรงกลมที่ "จัดระเบียบ" จะน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ ดังนั้นจึงไม่จม ในกระบวนการระเหยน้ำเพิ่มเติม ชั้นลำดับถัดไปจะติดกับกระจุกหลัก และต่อๆ ไป ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างความหนาแน่นของน้ำ (1 ก./ซม.3) และโพลีสไตรีน (1.04 ก./ซม.3) ที่ทำให้สามารถรับผลึกคอลลอยด์บนพื้นผิวของสารละลายได้ อันที่จริง เมื่อทดลองกับเมทานอล (ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ρ = 0.79 g/cm3) จะไม่เกิดการก่อตัวของโครงสร้างที่ได้รับคำสั่ง

วิธีการใช้การก่อตัวของผลึกโฟโตนิกที่เกิดขึ้นเอง

ในการก่อตัวของผลึกโฟโตนิกตามธรรมชาติจะใช้อนุภาคคอลลอยด์ (ส่วนใหญ่มักใช้ซิลิโคน monodisperse หรืออนุภาคสไตรีน แต่วัสดุอื่น ๆ ค่อย ๆ พร้อมใช้งานเพื่อใช้เป็นวิธีการทางเทคโนโลยีสำหรับการผลิตได้รับการพัฒนา) ซึ่งอยู่ในของเหลวและ เมื่อของเหลวระเหยไป ให้ตกตะกอนในปริมาณหนึ่ง ขณะที่พวกมันทับถมกัน พวกมันจะก่อตัวเป็นคริสตัลโฟโตนิกสามมิติ และส่วนใหญ่จะจัดอยู่ในโครงผลึกที่มีศูนย์กลางที่ใบหน้าหรือหกเหลี่ยม วิธีนี้ค่อนข้างช้าและอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์กว่าจะเกิดผลึกโฟโตนิก