211service.com
Tredimensionelle fotoniske krystaller skinner
For første gang har forskere lavet tredimensionelle fotoniske krystaller af høj kvalitet og brugt dem til at lave en højeffektiv lysemitterende diode (LED). Tredimensionelle fotoniske krystaller lover at øge ydeevnen af næsten enhver optisk enhed, det være sig en skærm, en solcelle eller en effektiv pære - men indtil nu havde ingen været i stand til at lave dem ved hjælp af kommercielt levedygtige metoder eller brugbare materialer . Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign arbejder nu på solceller baseret på strukturerne.
Krystalfyld: Denne illustration viser galliumarsenid (blåt) vokse omkring en skabelon for at skabe en tredimensionel fotonisk krystal.
Fotoniske krystaller kan styre absorption, emission og bevægelse af lys på en meget præcis måde baseret på deres struktur. De har været et varmt forskningsområde siden slutningen af 1980'erne. Hidtil har det kun været praktisk at lave flade, todimensionelle fotoniske krystaller. Disse kontrollerer lysets bevægelse meget godt i to dimensioner, men ikke perfekt i den tredje. Alligevel har de haft stor succes. Et firma ringede Luxtera har for eksempel udviklet måder at bygge fotonisk-krystal-baserede optiske forbindelser direkte på computerchips. At bringe optiske signaler tættere på computerprocessorer hjælper med at fremskynde datatransmission, og brug af fotoniske krystaller hjælper med at holde størrelsen af disse links kompakt. Luminus har fokuseret på LED'er, hvor krystallerne hjælper med at forbedre lysudbyttet, hvilket gør disse enheder lysere og mere strømeffektive.
Imidlertid ville tredimensionelle fotoniske krystaller gøre endnu bedre optiske enheder. Den vigtigste fordel er, at du virkelig kan kontrollere udbredelsen af lys i alle dimensioner, siger Paul Braun , professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois. Braun leder arbejdet med tredimensionelle fotoniske krystaller, og hans gruppe arbejder også på at lave solceller af krystallerne.
Det er vanskeligt at lave disse strukturer. Fotoniske krystalstrukturer varierer, men de er ofte lavet ved at bore huller i nanoskala, stænger og andre funktioner i et materiale. At mønstre en flad plade af materiale med de nødvendige strukturer i nanoskala for at lave en todimensionel fotonisk krystal er en relativt simpel proces. Det er langt sværere at få den slags mønstre ind i et tykt stykke materiale for at lave en tredimensionel struktur uden at forringe materialet. Og den slags fotoniske krystaller, der er mest nyttige - dem, der aktivt kan konvertere mellem elektriske signaler og optiske, ud over at præcist manipulere lysstrømmen - er de sværeste at lave, fordi materialefejl introduceres under processen. Denne lys-til-elektricitet og tilbagekonvertering er kritisk i lysdioder, solceller og optiske dataforbindelser til databehandling.
University of Illinois-gruppen lavede højkvalitets tredimensionelle fotoniske krystaller ved at dyrke dem på en skabelon nedefra og op, snarere end ved at forsøge at introducere nanoskalamønstrene i stykker af materiale. Forskerne starter med at lave skabelonen, stakke af pakkede nanoskalakugler. De sætter derefter skabelonen inde i et dampaflejringskammer og strømmer ind i en række gasser, der indeholder gallium og arsenid. Materialerne bliver deponeret på skabelonen og vokser omkring den. Det er som at fylde en kasse med ping-pongbolde med vand: materialet, der er strømmet ind, fylder mellemrummene mellem kuglerne. Derefter fjerner de sfærerne kemisk og efterlader en tredimensionel fotonisk krystal - et stykke krystallinsk galliumarsenid, der er fyldt med huller i nanoskala.
Galliumarsenid bruges til at lave optiske enheder såsom fotodetektorer, men at lave det til tredimensionelle fotoniske krystaller har ikke været muligt før. Ikke alene var Illinois-forskerne i stand til at lave en tredimensionel fotonisk krystal ud af materialet, de var også i stand til at bruge den til at lave en LED, der er drevet af en elektrisk strøm.
Jeg har ventet længe på, at nogen skulle opnå, hvad [Illinois-gruppen] har opnået, siger Eli Yablanovitch , professor i elektroteknik og datalogi ved University of California, Berkeley. I slutningen af 1980'erne lavede Yablanovitch noget af det grundlæggende arbejde med fotoniske krystaller og fremmede ideen om, at visse designs kan udsende lys på en meget kontrolleret måde, der er nyttig til LED'er.
Yablanovitch siger, at det er svært at forudsige, hvad der vil resultere af dette arbejde, og hvornår, fordi ingen har lavet praktiske tredimensionelle fotoniske krystaller før. Nogle af de mest overbevisende applikationer bliver allerede fyldt med todimensionelle fotoniske krystaller, siger han. Hvis det bliver lige så nemt at lave tredimensionelle fotoniske krystaller, som det er at lave deres flade modstykker allerede i produkter, ville de altid være førstevalget, siger Yablanovitch.
Teknologien er formentlig stadig flere år væk fra kommercialisering, siger Braun.