광결정 제조. 광결정은 차세대 마이크로 전자공학의 기초가 될 것입니다

06.01.2024

광결정의 특이한 특성에 대한 수많은 연구와 최근의 논문이 다루고 있습니다. 광결정은 유전 매개변수(굴절률을 의미)의 주기적인 변화로 인해 전파되는 전자기파(빛)의 특성이 실제 결정에서 전파되는 전자의 특성과 유사해지는 인공 매체라는 점을 기억해 봅시다. 따라서 "광결정"이라는 용어는 광자와 전자의 유사성을 강조합니다. 광자 특성의 양자화는 광자 결정에서 전파되는 전자기파의 스펙트럼에서 광자 상태 밀도가 0인 금지 밴드가 나타날 수 있다는 사실로 이어집니다.

절대 밴드갭을 갖는 3차원 광결정은 마이크로파 범위의 전자기파에 대해 최초로 구현되었습니다. 절대 밴드 갭이 존재한다는 것은 특정 주파수 대역의 전자기파가 주어진 결정에서 어떤 방향으로도 전파될 수 없다는 것을 의미합니다. 왜냐하면 이 주파수 대역에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 상태 밀도는 결정의 어느 지점에서나 0이기 때문입니다. 실제 결정과 마찬가지로 광결정은 밴드 갭의 존재 및 특성 측면에서 도체, 반도체, 절연체 및 초전도체가 될 수 있습니다. 광결정의 밴드 갭에 "결함"이 있는 경우 "결함"에 의한 광자의 "포획"이 가능합니다. 이는 광결정의 밴드 갭에 위치한 해당 불순물에 의해 전자나 정공이 포획되는 것과 유사합니다. 반도체.

밴드 갭 내부에 에너지가 있는 전파파를 결함 모드라고 합니다.

광결정 메타물질 굴절

이미 언급한 바와 같이, 광결정의 특이한 특성은 결정의 기본 셀 크기가 그 안에서 전파되는 파동의 길이 정도일 때 관찰됩니다. 가시광선 범위의 이상적인 광결정은 서브미크론 기술을 통해서만 생산될 수 있다는 것이 분명합니다. 현대 과학기술의 수준은 이러한 입체적인 결정체를 만드는 것을 가능하게 합니다.

광결정의 응용 분야는 광 아이솔레이터, 광 게이트, 스위치, 멀티플렉서 등 매우 다양합니다. 실용적인 관점에서 볼 때 매우 중요한 구조 중 하나는 광결정 광섬유입니다. 처음에는 조밀한 팩에 수집된 유리 모세관 세트로 만들어졌으며, 그런 다음 기존 후드에 적용되었습니다. 그 결과 약 1 마이크론의 특징적인 크기를 갖는 규칙적인 간격의 구멍을 포함하는 광섬유가 탄생했습니다. 그 후, 다양한 구성과 다양한 특성을 지닌 광학 광결정 도광체가 얻어졌습니다(그림 9).

광결정 도광체를 만들기 위한 새로운 드릴링 방법이 무선 공학 및 전자 연구소와 러시아 과학 아카데미의 광섬유 과학 센터에서 개발되었습니다. 먼저 두꺼운 석영 공작물에 매트릭스가 있는 기계적 구멍을 뚫은 다음 공작물을 그렸습니다. 그 결과 고품질의 광결정 광섬유가 탄생했습니다. 이러한 광 가이드에서는 다양한 모양과 크기의 결함을 생성하기 쉽기 때문에 여러 광 모드가 동시에 여기될 수 있으며, 그 주파수는 광 결정의 밴드 갭에 있습니다. 특히 결함은 중공 채널의 형태를 취할 수 있으므로 빛은 석영이 아닌 공기를 통해 전파되므로 광결정 광 가이드의 긴 부분에서 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 광결정 광 가이드에서 가시광선 및 적외선 복사의 전파에는 라만 산란, 고조파 혼합, 고조파 생성 등 다양한 물리적 현상이 수반되며 이는 궁극적으로 초연속체 생성으로 이어집니다.

물리적 효과와 가능한 응용을 연구하는 관점에서 볼 때 그다지 흥미롭지 않은 것은 1차원 및 2차원 광결정입니다. 엄밀히 말하면 이러한 구조는 광결정은 아니지만 전자파가 특정 방향으로 전파될 때 광결정으로 간주될 수 있습니다. 전형적인 1차원 광결정은 굴절률이 매우 다른 적어도 두 가지 물질의 층으로 구성된 다층 주기 구조입니다. 전자기파가 법선을 따라 전파되면 그러한 구조에는 특정 주파수에 대한 밴드 갭이 나타납니다. 구조의 층 중 하나가 다른 층과 굴절률이 다른 물질로 대체되거나 한 층의 두께가 변경되면 해당 층은 주파수가 밴드 갭에 있는 파동을 포착할 수 있는 결함이 됩니다. .

유전체 비자성 구조에 자기 결함층이 존재하면 이러한 구조에서 전파될 때 파동의 패러데이 회전이 여러 번 증가하고 매체의 광학적 투명도가 증가합니다.

일반적으로 광결정에 자성층이 있으면 주로 마이크로파 범위에서 그 특성이 크게 바뀔 수 있습니다. 사실 마이크로파 범위에서는 특정 주파수 대역에서 강자성체의 투자율이 음수이므로 메타물질 생성에 사용이 용이합니다. 이러한 물질을 금속 비자성층이나 개별 도체로 구성된 구조 또는 도체의 주기적 구조와 결합함으로써 음의 자기 및 유전 상수 값을 갖는 구조를 생성하는 것이 가능합니다. 한 가지 예는 정자기 스핀파의 "음성" 반사 및 굴절을 감지하도록 설계된 러시아 과학 아카데미의 무선 공학 및 전자 연구소에서 만든 구조입니다. 이 구조는 표면에 금속 전도체가 있는 이트륨 철 가넷 필름입니다. 얇은 강자성막에서 전파되는 정자기 스핀파의 특성은 외부 자기장에 크게 의존합니다. 일반적으로 이러한 파동의 유형 중 하나는 역방향 파동이므로 이러한 유형의 파동에 대한 파동 벡터와 포인팅 벡터의 스칼라 곱은 음수입니다.

광결정에 역파가 존재하는 것도 결정 자체의 성질의 주기성 때문이다. 특히, 첫 번째 브릴루앙 구역에 파동 벡터가 있는 파동의 경우 전파 조건은 직접파와 마찬가지로 충족될 수 있으며 두 번째 브릴루앙 구역의 동일한 파동에 대해서는 후방 조건과 마찬가지로 충족될 수 있습니다. 메타물질과 마찬가지로 광결정도 전파 전파에서 "음의" 굴절과 같은 특이한 특성을 나타낼 수 있습니다.

그러나 광결정은 마이크로파 범위뿐만 아니라 광주파수 범위에서도 '음의' 굴절 현상이 가능한 메타물질이 될 수 있다. 실험을 통해 브릴루앙대 중심 근처의 첫 번째 밴드 갭의 주파수보다 높은 주파수를 갖는 파동에 대해 광결정에 "음의" 굴절이 존재함을 확인했습니다. 이는 음의 군속도 효과와 결과적으로 파동의 음의 굴절률 때문입니다. 실제로 이 주파수 범위에서는 파동이 반전됩니다.

지난 10년 동안 표준 반도체 장치의 속도 제한에 거의 도달했기 때문에 마이크로 전자공학의 개발이 둔화되었습니다. 스핀트로닉스, 초전도 요소를 갖춘 마이크로 전자공학, 포토닉스 등 반도체 전자공학의 대체 영역을 개발하는 데 점점 더 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

전기 신호가 아닌 빛을 이용해 정보를 전송하고 처리하는 새로운 원리는 정보화 시대의 새로운 단계의 시작을 가속화할 수 있습니다.

단순한 결정부터 광결정까지

미래의 전자 장치의 기초는 광결정이 될 수 있습니다. 이는 유전 상수가 구조 내에서 주기적으로 변하는 합성 정렬 재료입니다. 전통적인 반도체의 결정 격자에서는 원자 배열의 규칙성과 주기성으로 인해 허용된 밴드와 금지된 밴드가 있는 소위 밴드 에너지 구조가 형성됩니다. 에너지가 허용된 밴드 내에 있는 전자는 결정 주위를 이동할 수 있지만 밴드갭에 에너지가 있는 전자는 "고정"됩니다.

일반 결정과 유사하게 광결정이라는 아이디어가 생겼습니다. 그 안에서 유전 상수의 주기성은 특정 파장의 빛의 전파가 억제되는 광자 영역, 특히 금지 영역의 출현을 유발합니다. 즉, 넓은 스펙트럼의 전자기 방사선에 대해 투명한 광결정은 선택된 파장(광 경로 길이를 따라 구조 주기의 두 배와 동일)의 빛을 전송하지 않습니다.

광결정은 다양한 크기를 가질 수 있습니다. 1차원(1D) 결정은 굴절률이 서로 다른 층이 교대로 배열된 다층 구조입니다. 2차원 광결정(2D)은 서로 다른 유전율을 갖는 막대의 주기적인 구조로 표현될 수 있습니다. 광결정의 최초 합성 프로토타입은 3차원이었으며 1990년대 초 연구 센터 직원에 의해 만들어졌습니다. 벨 연구소(미국). 유전 물질에서 주기적인 격자를 얻기 위해 미국 과학자들은 공극의 3차원 네트워크를 얻는 방식으로 원통형 구멍을 뚫었습니다. 물질이 광결정이 되기 위해 유전 상수는 3차원 모두에서 1cm 주기로 변조되었습니다.

광결정의 천연 유사체는 진주조개 껍질 코팅(1D), 바다쥐의 더듬이, 다모류 벌레(2D), 아프리카 호랑나비의 날개 및 오팔과 같은 준보석입니다( 3D).

그러나 오늘날에도 가장 현대적이고 값비싼 전자 리소그래피와 이방성 이온 에칭 방법을 사용하더라도 10개 이상의 구조 셀 두께를 갖는 결함 없는 3차원 광결정을 생산하는 것은 어렵습니다.

광결정은 미래에 컴퓨터의 전기 집적 회로를 대체할 광 집적 기술에 폭넓게 적용되어야 합니다. 전자 대신 광자를 사용하여 정보를 전송하면 전력 소비가 크게 줄어들고 클럭 주파수와 정보 전송 속도가 높아집니다.

티타늄 산화물 광결정

산화티타늄 TiO2는 높은 굴절률, 화학적 안정성, 낮은 독성 등 일련의 고유한 특성을 갖고 있어 1차원 광결정을 만드는 데 가장 유망한 재료입니다. 태양전지용 광결정을 고려한다면 반도체 특성으로 인해 산화티타늄이 승리합니다. 이전에는 산화티탄 광결정을 포함해 주기적인 광결정 구조를 갖는 반도체층을 사용하면 태양전지의 효율이 증가하는 것으로 입증됐다.

그러나 지금까지 이산화티타늄을 기반으로 한 광결정의 사용은 재생산 가능하고 저렴한 기술이 부족하여 제한되었습니다.

모스크바 주립대학교 화학부 및 재료과학부 직원인 Nina Sapoletova, Sergei Kushnir 및 Kirill Napolsky는 다공성 산화티타늄 필름을 기반으로 한 1차원 광결정 합성을 개선했습니다.

알루미늄과 티타늄을 포함한 밸브 금속의 양극산화(전기화학적 산화)는 나노미터 크기의 채널을 갖는 다공성 산화물 필름을 생성하는 효과적인 방법입니다.

양극산화는 일반적으로 2전극 전기화학 셀에서 수행됩니다. 두 개의 금속판인 음극과 양극을 전해질 용액에 담그고 전압을 가합니다. 음극에서는 수소가 방출되고 양극에서는 금속의 전기화학적 산화가 발생합니다. 셀에 인가되는 전압을 주기적으로 변화시키면, 양극에는 일정 두께의 다공성을 갖는 다공성 필름이 형성된다.

구조 내에서 기공 직경이 주기적으로 변하면 유효 굴절률이 조절됩니다. 이전에 개발된 티타늄 아노다이징 기술로는 주기적인 구조가 높은 재료를 얻을 수 없었습니다. 모스크바 주립 대학의 화학자들은 양극 산화 전하에 따라 전압 변조를 사용하여 금속 양극 산화를 위한 새로운 방법을 개발했습니다. 이를 통해 고정밀 다공성 양극 금속 산화물을 생성할 수 있습니다. 화학자들은 양극산화티타늄으로 만들어진 1차원 광결정의 예를 사용하여 새로운 기술의 능력을 시연했습니다.

40~60볼트 범위의 정현파 법칙에 따라 양극산화 전압을 변경한 결과, 과학자들은 외부 직경이 일정하고 내부 직경이 주기적으로 변경되는 양극 산화 티타늄 나노튜브를 얻었습니다(그림 참조).

“이전에 사용된 양극산화 기술로는 높은 수준의 주기적인 구조를 가진 재료를 얻을 수 없었습니다. 우리는 새로운 기술을 개발했으며 그 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다. 현장에서(합성 중에 직접) 양극산화 전하 측정을 통해 형성된 산화막에서 다양한 다공성을 갖는 층의 두께를 매우 정확하게 제어할 수 있습니다.”라고 이 연구의 저자 중 한 명인 화학과 후보 Sergei Kushnir가 설명했습니다.

개발된 기술은 양극 금속 산화물을 기반으로 하는 변조된 구조를 가진 새로운 재료의 생성을 단순화할 것입니다. “우리가 태양전지에 양극산화티타늄으로 만든 광결정을 기술의 실제 사용으로 고려한다면, 그러한 광결정의 구조적 매개변수가 태양전지의 광변환 효율에 미치는 영향에 대한 체계적 연구는 다음과 같습니다. 아직 실행되지 않았습니다.”라고 Sergey Kushnir는 말했습니다.

쌀. 2. 1차원 광결정의 도식적 표현.

1. 1차원적, 굴절률은 그림과 같이 한 공간 방향으로 주기적으로 변합니다. 2. 이 그림에서 기호 Λ는 굴절률의 변화 기간을 나타냅니다. - 두 물질의 굴절률(그러나 일반적으로 임의 개수의 물질이 존재할 수 있음). 이러한 광결정은 굴절률이 서로 평행하고 서로 평행한 서로 다른 물질의 층으로 구성되며 층에 수직인 한 공간 방향에서 특성을 나타낼 수 있습니다.

쌀. 3. 2차원 광결정의 도식적 표현.

2. 2차원, 굴절률은 그림과 같이 두 공간 방향으로 주기적으로 변합니다. 3. 이 그림에서 광결정은 굴절률 매체에 있는 직사각형 굴절률 영역에 의해 생성됩니다. 이 경우 굴절률이 있는 영역은 2차원 입방 격자로 정렬됩니다. 이러한 광결정은 두 가지 공간적 방향으로 그 성질을 나타낼 수 있으며, 굴절률이 있는 영역의 모양은 그림과 같이 직사각형에 국한되지 않고 임의(원, 타원, 임의 등)가 될 수 있다. 이러한 영역이 정렬된 결정 격자는 위 그림과 같이 입방체뿐만 아니라 다를 수도 있습니다.

3. 굴절률이 세 가지 공간 방향으로 주기적으로 변하는 3차원. 이러한 광결정은 3개의 공간 방향에서 그 특성을 나타낼 수 있으며, 3차원 결정 격자에 배열된 체적 영역(구체, 입방체 등)의 배열로 표현될 수 있습니다.

전기 매체와 마찬가지로 금지 구역과 허용 구역의 너비에 따라 광결정은 낮은 손실로 장거리에 걸쳐 빛을 전도할 수 있는 전도체, 유전체(거의 이상적인 거울), 반도체(예를 들어 선택적으로 빛을 전도할 수 있는 물질)로 나눌 수 있습니다. 특정 파장의 광자를 반사하는 초전도체. 집단 현상 덕분에 광자는 거의 무제한의 거리에 걸쳐 전파될 수 있습니다.

공진형 광결정과 비공명형 광결정도 구별됩니다. 공진 광결정은 주파수 함수로서 유전 상수(또는 굴절률)가 일부 공진 주파수에서 극을 갖는 물질을 사용한다는 점에서 비공진 광결정과 다릅니다.

광결정의 불균일성(예를 들어 그림 3에 하나 이상의 정사각형이 없는 것, 원래 광결정의 정사각형에 비해 더 크거나 작은 크기 등)을 광결정 결함이라고 합니다. 전자기장은 종종 광결정을 기반으로 구축된 미세공동 및 도파관에 사용되는 이러한 영역에 집중됩니다.

광결정의 이론적 연구 방법, 수치해석 및 소프트웨어

광결정은 광학 범위에서 전자기파를 조작할 수 있으며, 광결정의 특성 치수는 종종 파장에 가깝습니다. 따라서 광선이론의 방법은 적용할 수 없고 파동이론과 맥스웰 방정식의 해법을 사용한다. 맥스웰의 방정식은 분석적으로나 수치적으로 풀 수 있지만, 해결하려는 문제에 대한 가용성과 용이한 조정으로 인해 광결정의 특성을 연구하는 데 가장 자주 사용되는 것은 수치 솔루션 방법입니다.

또한 광결정의 특성을 고려하는 데 두 가지 주요 접근법이 사용된다는 점을 언급하는 것이 적절합니다. 즉, 시간 영역에 대한 방법(시간 변수에 따라 문제에 대한 솔루션을 제공)과 주파수 영역에 대한 방법(다음을 제공) 주파수의 함수로 문제에 대한 솔루션).

시간 영역 방법은 전자기장의 시간 의존성과 관련된 동적 문제에 편리합니다. 또한 광결정의 밴드 구조를 계산하는 데에도 사용할 수 있지만 이러한 방법의 출력에서 밴드 위치를 식별하는 것은 현실적으로 어렵습니다. 또한, 광결정의 밴드 다이어그램을 계산할 때 푸리에 변환이 사용되며, 그 주파수 분해능은 방법의 총 계산 시간에 따라 달라집니다. 즉, 밴드 다이어그램에서 더 높은 분해능을 얻으려면 계산을 수행하는 데 더 많은 시간을 투자해야 합니다. 또 다른 문제도 있습니다. 이러한 방법의 시간 단계는 방법의 공간 격자 크기에 비례해야 합니다. 밴드 다이어그램의 주파수 분해능을 높이려면 시간 단계의 감소, 그에 따른 공간 그리드의 크기, 반복 횟수의 증가, 필요한 컴퓨터 메모리 및 계산 시간이 필요합니다. 이러한 방법은 잘 알려진 상용 모델링 패키지인 Comsol Multiphysics(맥스웰 방정식을 풀기 위해 유한 요소법 사용), RSOFT Fullwave(유한 차분 방법 사용), 독립적으로 개발된 유한 요소 및 차분 방법용 프로그램 코드 등에 구현되어 있습니다.

주파수 영역에 대한 방법은 고정 시스템에 대해 맥스웰 방정식의 해가 즉시 발생하고 시스템의 광학 모드의 주파수가 해에서 직접 결정되기 때문에 편리합니다. 시간 영역에 대한 방법을 사용합니다. 이들의 장점에는 방법의 공간 격자 해상도와 실질적으로 독립적인 반복 횟수와 수행된 반복 횟수에 따라 방법의 오류가 수치적으로 기하급수적으로 감소한다는 사실이 포함됩니다. 이 방법의 단점은 고주파 영역의 주파수를 계산하기 위해 저주파 영역에서 시스템의 광학 모드의 고유 주파수를 계산해야 하며 당연히 동역학을 설명할 수 없다는 점입니다. 시스템의 광 진동 개발. 이러한 방법은 무료 MPB 소프트웨어 패키지와 상용 패키지에 구현되어 있습니다. 언급된 두 소프트웨어 패키지 모두 하나 이상의 재료가 복잡한 굴절률 값을 갖는 광결정의 밴드 다이어그램을 계산할 수 없습니다. 이러한 광결정을 연구하기 위해 BandSolve와 FullWAVE라는 두 가지 RSOFT 패키지를 조합하여 사용하거나 섭동 방법을 사용합니다.

물론, 광결정에 대한 이론적 연구는 밴드 다이어그램의 계산에만 국한되지 않고, 광결정을 통해 전자기파가 전파되는 동안의 정지 과정에 대한 지식도 필요합니다. 예를 들어 광결정의 투과 스펙트럼을 연구하는 문제가 있습니다. 이러한 문제의 경우 위에서 언급한 편의성과 가용성을 바탕으로 두 가지 접근 방식을 모두 사용할 수 있을 뿐만 아니라 복사 전달 매트릭스 방법, 이 방법을 사용하여 광결정의 투과 및 반사 스펙트럼을 계산하는 프로그램, 포함된 pdetool 소프트웨어 패키지를 사용할 수 있습니다. Matlab 패키지와 Comsol Multiphysics 위에서 이미 언급한 패키지에 있습니다.

광자 밴드 갭 이론

위에서 언급한 바와 같이, 광결정은 전하 캐리어 에너지에 대한 허용 및 금지 밴드가 있는 반도체 재료와 유사하게 광자 에너지에 대한 허용 밴드와 금지 밴드를 얻을 수 있게 해줍니다. 문헌에서 밴드 갭의 출현은 특정 조건에서 밴드 갭의 주파수에 가까운 주파수를 갖는 광결정의 정재파의 전기장의 강도가 광자의 다른 영역으로 이동한다는 사실로 설명됩니다. 결정. 따라서 저주파의 전계 강도는 굴절률이 높은 영역에 집중되고 고주파의 전계 강도는 굴절률이 낮은 영역에 집중됩니다. 이 작업에는 광결정의 밴드 갭 특성에 대한 또 다른 설명이 포함되어 있습니다. "광결정은 일반적으로 브래그 빛의 회절을 허용하는 주기와 함께 공간에서 유전 상수가 주기적으로 변하는 매체라고 합니다."

이러한 광결정 내부에서 밴드갭 주파수를 갖는 방사선이 생성되면 그 내부로 전파될 수 없지만, 그러한 방사선이 외부에서 보내지면 단순히 광결정에서 반사됩니다. 1차원 광결정을 사용하면 그림 1에 표시된 재료 층에 수직인 한 방향으로 전파되는 방사선에 대한 밴드 갭 및 필터링 특성을 얻을 수 있습니다. 2. 2차원 광결정은 그림 1의 평면에 있는 주어진 광결정의 한 방향, 두 방향 또는 모든 방향으로 전파되는 방사선에 대한 밴드 갭을 가질 수 있습니다. 3. 3차원 광결정은 한 방향, 여러 방향 또는 모든 방향으로 밴드갭을 가질 수 있습니다. 금지 구역은 광결정을 구성하는 물질의 굴절률의 큰 차이, 굴절률이 다른 영역의 특정 모양 및 특정 결정 대칭을 통해 광결정의 모든 방향에 존재합니다.

밴드 갭의 수, 스펙트럼에서의 위치 및 폭은 광결정의 기하학적 매개변수(굴절률이 다른 영역의 크기, 모양, 정렬된 결정 격자)와 굴절률에 따라 달라집니다. . 따라서, 예를 들어 커(Kerr) 효과가 뚜렷한 비선형 재료의 사용, 굴절률이 다른 영역의 크기 변화 또는 외부 장의 영향으로 굴절률의 변화로 인해 금지 영역을 조정할 수 있습니다. .

쌀. 5. 광자 에너지에 대한 밴드 다이어그램(TE 편광).

쌀. 6. 광자 에너지에 대한 밴드 다이어그램(TM 편광).

그림 1에 표시된 광결정의 밴드 다이어그램을 살펴보겠습니다. 4. 이 2차원 광결정은 갈륨비소 GaAs(기본 물질, 굴절률 n=3.53, 그림의 검은색 영역)와 공기(원통형 구멍이 채워져 있음, 흰색으로 표시)라는 두 가지 물질이 평면에서 교대로 교대로 구성되어 있습니다. , n=1). 구멍은 직경을 갖고 있으며 주기(인접한 원통의 중심 사이의 거리)가 있는 육각형 결정 격자로 배열되어 있습니다. 고려 중인 광결정에서 주기에 대한 홀 반경의 비율은 와 같습니다. 그림 1에 표시된 TE(전기장 벡터가 원통의 축에 평행하게 향함)와 TM(자기장 벡터가 원통의 축에 평행하게 향함)에 대한 밴드 다이어그램을 고려해 보겠습니다. 이는 무료 MPB 프로그램을 사용하여 이 광결정에 대해 계산된 결과입니다. X축은 광결정 내의 파동 벡터를 나타내고, Y축은 에너지 상태에 해당하는 정규화된 주파수(-진공에서의 파장)를 나타냅니다. 이 그림의 파란색과 빨간색 실선은 각각 TE 및 TM 편광에 대한 주어진 광결정의 에너지 상태를 나타냅니다. 파란색과 분홍색 영역은 주어진 광결정의 광자 밴드 갭을 보여줍니다. 검은 점선은 주어진 광결정의 소위 빛 선(또는 빛 원뿔)입니다. 이러한 광결정의 주요 용도 중 하나는 광 도파관이며, 광선은 이러한 광결정을 사용하여 구축된 저손실 도파관의 도파관 모드가 위치하는 영역을 정의합니다. 즉, 광선은 주어진 광결정에 대해 우리가 관심을 갖는 에너지 상태 영역을 정의합니다. 가장 먼저 주목할 점은 이 광결정이 TE 편파에 대해 2개의 밴드갭과 TM 편파에 대해 3개의 넓은 밴드갭을 가지고 있다는 점입니다. 둘째, 정규화 주파수의 작은 값 영역에 있는 TE 및 TM 편파에 대한 금지 구역이 중첩됩니다. 이는 주어진 광결정이 금지 구역의 중첩 영역에 완전한 금지 구역을 가짐을 의미합니다. 모든 방향의 TE 및 TM 파뿐만 아니라 모든 편파(TE 또는 TM)의 파동에도 적용됩니다.

쌀. 7. 고려 중인 광결정의 반사 스펙트럼(TE 편광).

쌀. 8. 고려 중인 광결정의 반사 스펙트럼(TM 편광).

주어진 의존성으로부터 우리는 정규화된 주파수 값을 갖는 첫 번째 밴드 갭이 파장 nm에 해당하는 광결정의 기하학적 매개변수를 결정할 수 있습니다. 광결정의 주기는 nm이고, 구멍의 반경은 nm입니다. 쌀. 도 7 및 8은 각각 TE 및 TM 파에 대해 위에서 정의된 매개변수를 갖는 광결정의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 스펙트럼은 Translight 프로그램을 사용하여 계산되었으며, 이 광결정은 8쌍의 정공 층으로 구성되고 방사선은 Γ-K 방향으로 전파되는 것으로 가정되었습니다. 위의 종속성에서 우리는 광결정의 가장 잘 알려진 특성을 볼 수 있습니다. 광결정의 밴드 갭에 해당하는 고유 주파수를 갖는 전자기파(그림 5 및 6)는 1에 가까운 반사 계수를 특징으로 하며 주어진 광결정으로부터 반사를 거의 완료합니다. 특정 광결정의 밴드 갭 외부에 있는 주파수를 갖는 전자기파는 광결정의 반사 계수가 더 낮고 광결정을 완전히 또는 부분적으로 통과하는 것이 특징입니다.

광결정 제조

현재 광결정을 만드는 방법에는 여러 가지가 있으며, 새로운 방법이 계속 등장하고 있습니다. 일부 방법은 1차원 광결정 형성에 더 적합하고, 다른 방법은 2차원 광결정에 편리하고, 다른 방법은 3차원 광결정에 더 자주 적용 가능하고, 다른 방법은 다른 광학 장치에서 광결정 생성에 사용됩니다. 기타 이러한 방법 중 가장 유명한 방법을 고려해 보겠습니다.

광결정의 자발적 형성을 이용한 방법

광결정의 자발적인 형성에는 콜로이드 입자가 사용됩니다(대부분 단분산 실리콘 또는 폴리스티렌 입자가 사용되지만 생산을 위한 기술적 방법이 개발됨에 따라 다른 재료도 점차적으로 사용할 수 있게 됨). 액체가 증발하면 일정량으로 침전됩니다. 이들이 서로 증착되면서 3차원 광결정을 형성하고 주로 면심 또는 육각형 결정 격자로 배열됩니다. 이 방법은 매우 느리며 광결정을 형성하는 데 몇 주가 걸릴 수 있습니다.

자연적으로 광결정을 형성하는 또 다른 방법인 허니컴법(Honeycomb Method)은 작은 기공을 통해 입자가 포함된 액체를 여과하는 방법입니다. 작품에 제시된 이 방법은 기공을 통과하는 액체의 흐름 속도에 따라 결정되는 속도로 광결정을 형성할 수 있지만, 이러한 결정이 건조되면 결정에 결함이 형성됩니다.

대부분의 경우 모든 방향에서 광 밴드 갭을 얻기 위해서는 광 결정의 큰 굴절률 대비가 필요하다는 것은 위에서 이미 언급되었습니다. 위에서 언급 한 광결정의 자발적 형성 방법은 굴절률이 작아서 굴절률 대비도 작은 실리콘의 구형 콜로이드 입자를 증착하는 데 가장 자주 사용되었습니다. 이러한 대비를 높이기 위해 먼저 입자 사이의 공간을 굴절률이 높은 재료로 채운 다음 입자를 에칭하는 추가 기술 단계가 사용됩니다. 역오팔을 형성하는 단계별 방법은 실험실 작업 지침에 설명되어 있습니다.

에칭 방법

홀로그램 방법

광결정을 생성하기 위한 홀로그램 방법은 공간 방향에서 굴절률의 주기적인 변화를 형성하는 홀로그램 원리의 적용을 기반으로 합니다. 이는 두 개 이상의 응집성 파동의 간섭을 사용하여 전기장 강도의 주기적인 분포를 생성합니다. 두 파동의 간섭을 통해 1차원 광결정, 3개 이상의 빔(2차원 및 3차원 광결정)을 생성할 수 있습니다.

광결정을 생성하는 다른 방법

단일 광자 포토리소그래피와 2광자 포토리소그래피는 해상도가 200nm인 3차원 광결정을 생성하고 1광자 및 2광자 방사선에 민감하고 광자 방사선에 민감하고 광자 성질을 변화시킬 수 있는 폴리머와 같은 일부 재료의 특성을 활용합니다. 이 방사선에 노출되었을 때의 특성. 전자빔 리소그래피는 비용이 많이 들지만 정확도가 높은 2차원 광결정을 제조하는 방법으로, 전자빔의 작용에 따라 특성이 변화하는 포토레지스트를 특정 위치에 빔을 조사해 공간 마스크를 형성하는 방법이다. 조사 후 포토레지스트의 일부는 씻어내고 나머지 부분은 후속 기술 사이클에서 에칭용 마스크로 사용됩니다. 이 방법의 최대 분해능은 10nm입니다. 이온빔 리소그래피는 원리적으로 유사하지만 전자빔 대신 이온빔을 사용합니다. 전자빔 리소그래피에 비해 이온빔 리소그래피의 장점은 포토레지스트가 전자빔보다 이온빔에 더 민감하고 빔 리소그래피 전자에서 가능한 가장 작은 영역 크기를 제한하는 "근접 효과"가 없다는 것입니다.

애플리케이션

분산 브래그 반사경은 이미 널리 사용되고 잘 알려진 1차원 광결정의 예입니다.

현대 전자제품의 미래는 광결정과 연관되어 있습니다. 현재 광결정의 특성에 대한 집중적인 연구, 이를 위한 이론적 방법의 개발, 광결정을 이용한 다양한 소자의 개발 및 연구, 광결정에서 이론적으로 예측된 효과의 실제 구현 등이 이루어지고 있습니다. 다음과 같이 가정했습니다.

전 세계의 연구 그룹

광결정에 대한 연구는 전자 관련 기관 및 기업의 많은 실험실에서 수행됩니다. 예를 들어:

N. E. Bauman의 이름을 딴 모스크바 주립 기술 대학교
M.V. Lomonosov의 이름을 딴 모스크바 주립 대학
무선 공학 및 전자 연구소 RAS
Oles Gonchar의 이름을 딴 드네프로페트로프스크 국립대학교
수미 주립대학교

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수필

광결정 제조

가시광선 파장 범위에서 3차원 광결정을 생성하는 것은 지난 10년 동안 재료 과학의 주요 문제 중 하나로 남아 있으며, 대부분의 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 근본적으로 다른 두 가지 접근 방식인 템플릿 방법의 사용에 중점을 두었습니다. 이는 합성된 나노시스템의 자가 조직화와 나노리소그래피를 위한 전제조건을 생성합니다.

첫 번째 방법 그룹 중에서 가장 널리 퍼진 방법은 주기적인 기공 시스템을 갖는 고체를 생성하기 위한 템플릿으로 단분산 콜로이드 구체를 사용하는 방법입니다. 이러한 방법을 사용하면 금속, 비금속, 산화물, 반도체, 고분자 등을 기반으로 하는 광결정을 얻을 수 있습니다. 이러한 모든 방법에는 몇 가지 일반적인 단계가 포함됩니다(그림 22).

쌀. 22.광결정의 템플릿 합성 계획

첫 번째 단계에서 비슷한 크기의 콜로이드 구체는 3차원(때로는 2차원) 프레임워크의 형태로 균일하게 "포장"되며, 이후 템플릿 역할을 합니다(그림 22a). 구형을 주문하려면 자연적(자발적) 침강 외에 원심분리, 막 여과 및 전기영동이 사용됩니다. 더욱이, 석영 구체를 사용하는 경우, 생성된 물질은 천연 오팔의 합성 유사체이다.

두 번째 단계에서는 템플릿 구조의 공극에 액체가 함침되어 다양한 물리화학적 영향을 받아 고체 프레임으로 변합니다. 템플릿 공극을 물질로 채우는 다른 방법으로는 전기화학적 방법이나 CVD 방법이 있습니다(그림 22b).

마지막 단계에서 주형(콜로이드 구체)은 특성에 따라 용해 또는 열분해 과정을 사용하여 제거됩니다(그림 22c). 결과 구조는 종종 원래 콜로이드 결정의 역 복제물 또는 "역 오팔"이라고 불립니다.

다공성 고체 형성을 위한 템플릿으로 사용되는 구체는 적용된 전구체에 의해 젖어져야 하며 생성된 골격 구조가 파괴되지 않는 조건에서 쉽게 제거되어야 한다는 것은 명백합니다. 또한 최종 다공성 물질이 광자 특성을 가지려면 구의 크기 분포가 좁아야 합니다. 즉, 직경이 평균 크기와 5~8% 이상 차이가 나서는 안 됩니다.

규칙적인 단분산 콜로이드 입자로 구성된 템플릿 프레임은 일반적으로 문헌에서 "콜로이드 결정"이라고 불립니다(그림 22a 참조). 일반적으로 석영 또는 폴리머 라텍스 구체가 형성에 사용되지만 에멀젼 액적, 금 및 단분산 반도체 나노결정을 사용하는 경우가 문헌에 설명되어 있습니다.

실제 사용을 위해서는 광결정의 무결함 면적이 1000μm 2 를 초과해서는 안 됩니다. 따라서 석영 및 고분자 구형 입자를 주문하는 문제는 광결정을 만들 때 가장 중요한 문제 중 하나입니다.

중력의 영향 하에서만 콜로이드 입자가 침전되는 것은 천연 오팔 형성의 자연적인 메커니즘을 시뮬레이션합니다. 따라서 이 방법은 꽤 오랫동안 자세히 연구되어 왔다. 장기간의 침전 과정에서 입자는 크기에 따라 분리되므로 사용된 석영 구의 크기가 상당히 다양하더라도 잘 정렬된 합성 오팔 샘플을 얻을 수 있습니다.

그러나 자연 증착은 매우 느린 과정으로, 특히 구의 직경이 300nm를 초과하지 않는 경우 일반적으로 몇 주 또는 심지어 몇 달이 소요됩니다. 원심분리는 콜로이드 결정 형성 과정의 속도를 크게 높일 수 있습니다. 그러나 이러한 조건에서 얻은 재료는 높은 증착 속도에서 크기에 따른 입자 분리가 발생할 시간이 없기 때문에 덜 잘 정렬됩니다. 이 경우, 연구에서 볼 수 있듯이, 생성된 오팔의 품질은 원심분리 속도에 크게 영향을 받습니다.

따라서 직경 375-480nm의 구형 석영 입자를 증착할 때 4000rpm 속도의 원심분리를 통해 가장 잘 정렬된 콜로이드 결정이 얻어졌고, 3000 및 5000rpm 속도에서는 샘플이 훨씬 덜 잘 정렬되었습니다.

쌀. 23. 직경 870 nm의 큰 석영 구형 입자의 증착에 대한 전기 영동의 영향: a) – 전기 영동은 사용되지 않습니다. b) - 전기영동이 사용됩니다.

자연증착법은 여러 가지 어려움을 안고 있다. 석영구의 크기가 충분히 작은 경우(< 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 nm), 증착 속도가 너무 높아서 정렬된 배열을 얻기가 어려워지고, 이후 구의 크기가 증가하면 거의 불가능합니다.

이와 관련하여, 작은 구체의 침강 속도를 증가시키고 큰 구체의 침강 속도를 감소시키기 위해 전기영동이 사용되었다. 이 실험에서 입자에 작용하는 중력의 수직 전기장(방향에 따라 다름)이 어떤 경우에는 "증가"하고 어떤 경우에는 "감소"했습니다. 예상한 대로 증착 프로세스가 느리게 수행될수록 샘플이 더 많이 정렬되었습니다. 예를 들어, 이 연구에서는 직경 870 nm의 석영 입자가 자연적으로 증착되는 동안 완전히 무질서한 구조를 갖는 콜로이드 결정이 형성된다는 것을 보여주었습니다(그림 23a). 전기영동을 사용하면 상당히 잘 정돈된 물질을 얻을 수 있습니다(그림 23b). 직경 205nm의 석영 입자를 증착할 때 전기영동을 사용하면 침전 속도가 크게 증가했습니다(자연 증착의 경우 0.09에서 0.35mm/h로). 그 결과, 2개월이 아닌 2주 이내에 콜로이드 결정이 형성되었으며, 광학적 특성의 저하도 없었다.

콜로이드 구체를 주문하는 또 다른 방법은 막에 증착하는 방법입니다. 따라서 연구에서는 직경이 300-1000 nm인 라텍스 구체를 주로 포함하는 현탁액을 크기가 ~100 nm인 기공이 있는 매끄러운 폴리카보네이트 막을 통해 여과하여 중합체 콜로이드 결정을 얻었습니다. 통과할 구체.

최근에는 모세관력을 이용하여 콜로이드 구체를 주문하는 방법이 널리 보급되었습니다. 콜로이드 현탁액이 증발함에 따라 수직 기판과 콜로이드 현탁액 사이의 메니스커스 경계에서 초미세 입자의 결정화가 얇고 편평하며 잘 정돈된 구조를 형성하는 것으로 나타났습니다. 동시에, 중력의 영향을 받는 큰 입자의 증착은 일반적으로 입자의 이동보다 빠르게 발생하기 때문에 이 방법을 사용하여 직경 > 400 nm의 입자를 기반으로 한 콜로이드 결정을 얻는 것은 불가능하다고 믿어졌습니다. 용매 증발로 인해 기판을 따라 메니스커스가 형성됩니다. 이는 이 방법의 상업적 적용에 특정한 문제를 야기합니다. 현대 통신에 가장 중요한 파장 범위인 1.3-1.5 마이크론의 광결정은 700-900 nm 범위의 직경을 갖는 구를 기반으로 형성됩니다.

이 문제는 대류를 시작하는 온도 구배를 사용하여 해결되었습니다. 대류 전류는 침전 속도를 늦추고 증발을 가속화하며 구형 입자가 메니스커스를 향해 연속적으로 흐르게 합니다(그림 24). 따라서 이 방법을 사용하면 실리콘 기판 위에 직경 0.86 마이크론의 석영 구를 정렬하는 것이 가능했습니다. 결과 구조의 재료는 점결함의 농도가 현저히 낮고 석영 콜로이드 결정 자체가 이전에 얻을 수 있었던 것보다 훨씬 컸다는 점을 강조해야 합니다.

극단적인 실험 조건이 필요하지 않은 간단한 콜로이드 결정 생성 방법: 현탁액의 온도를 90°C로 올리기만 하면 물 표면에서 폴리스티렌 구형 입자의 정렬이 발생합니다. 실험 동안 직경 240nm의 라텍스 구체가 2개월 이상 일정한 온도의 용액에 부유된 상태로 유지되었습니다. 지속적으로 발생하는 용액 증발로 인해 표면의 콜로이드 입자 농도가 상당히 증가하여 모세관력의 영향을 받아 규칙적인 영역으로 자체 조직됩니다.

쌀. 24 . 모세관력과 온도 구배의 작용을 사용하여 수직 기판 표면에 큰 석영 구를 주문하는 방법입니다.

계산에 따르면 "조직화된" 구체의 밀도는 물의 밀도보다 낮아져 가라앉지 않습니다. 물이 추가로 증발하는 과정에서 다음 순서의 층이 기본 클러스터에 부착되는 식입니다. 용액 표면에 콜로이드 결정을 얻을 수 있는 것은 물의 밀도(1g/cm3)와 폴리스티렌(1.04g/cm3) 사이의 작은 차이입니다. 실제로, 메탄올(상당히 낮은 밀도 ρ = 0.79 g/cm3)을 사용하여 실험할 때 규칙적인 구조가 형성되지 않습니다.

광결정의 자발적 형성을 이용한 방법

Ilya Polishchuk, 물리 및 수리 과학 박사, MIPT 교수, 국립 연구 센터 "Kurchatov Institute"의 수석 연구원

정보 처리 및 통신 시스템에 마이크로 전자공학을 사용함으로써 세상은 근본적으로 변화되었습니다. 광결정 및 이를 기반으로 한 장치에 대한 물리학 분야의 연구 붐의 결과가 반세기 이상 전에 통합된 마이크로 전자 공학의 생성과 중요성에 비견될 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다. 새로운 유형의 재료를 사용하면 반도체 전자 장치 요소의 "이미지 및 유사성"으로 광학 미세 회로를 생성할 수 있으며, 오늘날 광결정에서 개발된 근본적으로 새로운 정보 전송, 저장 및 처리 방법이 응용될 것입니다. 미래의 반도체 전자공학에서 이 연구 분야가 세계 최대 연구 센터, 첨단 기술 기업 및 군산 단지에서 가장 인기 있는 분야 중 하나라는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 물론 러시아도 예외는 아니다. 더욱이 광결정은 효과적인 국제협력의 대상이다. 예를 들어, 러시아의 Kintech Lab LLC와 유명한 미국 회사인 General Electric 간의 10년 이상의 협력을 예로 들어보겠습니다.

광결정의 역사

역사적으로 3차원 격자의 광자 산란 이론은 광결정의 노드가 원자 자체인 X선 범위에 있는 ~0.01-1nm의 파장 영역에서 집중적으로 발전하기 시작했습니다. 1986년 로스앤젤레스 캘리포니아 대학의 엘리 야블로노비치(Eli Yablonovich)는 특정 스펙트럼 대역의 전자기파가 전파될 수 없는 일반 결정과 유사한 3차원 유전체 구조를 만드는 아이디어를 제안했습니다. 이러한 구조를 광밴드갭 구조 또는 광결정이라고 합니다. 5년 후, 굴절률이 높은 물질에 밀리미터 크기의 구멍을 뚫어 이러한 광결정이 만들어졌습니다. 나중에 Yablonovite라는 이름을 얻은 이러한 인공 결정은 밀리미터파 방사선을 전송하지 않았으며 실제로 밴드 갭이 있는 광자 구조를 구현했습니다(그런데 위상 안테나 배열도 동일한 클래스의 물리적 객체에 포함될 수 있음).

특정 주파수 대역의 전자기파(특히 광학)가 한 방향, 두 방향 또는 세 방향으로 전파되는 광자 구조를 사용하여 이러한 파동을 제어하는 광학 통합 장치를 만들 수 있습니다. 현재 광자 구조의 이데올로기는 임계값이 아닌 반도체 레이저, 희토류 이온 기반 레이저, 높은 Q 공진기, 광 도파관, 스펙트럼 필터 및 편광기의 생성에 기초가 됩니다. 광결정에 대한 연구는 현재 러시아를 포함해 20여 개국 이상에서 진행되고 있으며, 이 분야에 대한 출판물 수는 물론 심포지엄, 과학 컨퍼런스 및 학교 수가 기하급수적으로 증가하고 있습니다.

광결정에서 발생하는 과정을 이해하기 위해 이를 반도체 결정과 비교할 수 있으며, 전하 캐리어(전자 및 정공)의 이동에 따른 광자의 전파를 비교할 수 있습니다. 예를 들어, 이상적인 실리콘에서는 원자가 다이아몬드와 같은 결정 구조로 배열되어 있으며, 고체 밴드 이론에 따라 결정 전체에 전파되는 전하 캐리어가 원자핵의 주기적인 장 전위와 상호 작용합니다. 이것이 허용 밴드와 금지 밴드가 형성되는 이유입니다. 양자 역학은 밴드갭이라고 불리는 에너지 범위에 해당하는 에너지를 가진 전자의 존재를 금지합니다. 기존 결정과 유사하게 광결정은 고도로 대칭적인 단위 셀 구조를 포함합니다. 또한 일반 결정의 구조가 결정 격자의 원자 위치에 의해 결정되면 광결정의 구조는 매질의 유전 상수의주기적인 공간 변조에 의해 결정됩니다 (변조 규모는 파장과 비슷합니다) 상호 작용하는 방사선의).

광전도체, 절연체, 반도체 및 초전도체

비유를 계속하면 광결정은 도체, 절연체, 반도체 및 초전도체로 나눌 수 있습니다.

광 전도체는 넓은 분해능의 밴드를 가지고 있습니다. 빛이 흡수되지 않고 먼 거리를 이동하는 투명한 물체입니다. 광결정의 또 다른 종류인 광절연체는 넓은 밴드 갭을 가지고 있습니다. 이 조건은 예를 들어 넓은 범위의 다층 유전체 거울에 의해 충족됩니다. 빛이 빠르게 열로 분해되는 기존의 불투명 매체와 달리 광자 절연체는 빛을 흡수하지 않습니다. 광반도체의 경우 절연체보다 밴드갭이 더 좁습니다.

광결정 도파관은 광섬유를 만드는 데 사용됩니다(사진). 이러한 직물은 최근 등장했으며 그 적용 분야조차 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 예를 들어 대화형 의류나 소프트 디스플레이를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

사진: emt-photoniccrystal.blogspot.com

광자 띠와 광자 결정에 대한 아이디어가 지난 몇 년 동안 광학 분야에서만 확립되었다는 사실에도 불구하고 굴절률의 층상 변화가 있는 구조의 특성은 오랫동안 물리학자들에게 알려져 왔습니다. 이러한 구조의 실질적으로 중요한 첫 번째 응용 중 하나는 고효율 스펙트럼 필터를 생성하고 광학 요소(이러한 광학 장치를 코팅 광학 장치라고 함)에서 원치 않는 반사를 줄이는 데 사용되는 고유한 광학 특성을 갖는 코팅의 생산이었습니다. 100%. 1D 광자 구조의 다른 잘 알려진 예로는 분산 피드백이 있는 반도체 레이저와 물리적 매개변수(프로파일 또는 굴절률)의 주기적인 종방향 변조가 있는 광 도파관이 있습니다.

평범한 결정은 자연이 우리에게 아주 관대하게 줍니다. 광결정은 자연에서 매우 드물다. 따라서 광결정의 고유한 특성을 활용하려면 광결정을 성장시키는 다양한 방법을 개발해야 합니다.

광결정을 성장시키는 방법

가시광선 파장 범위에서 3차원 광결정을 생성하는 것은 지난 10년 동안 재료 과학의 최우선 과제 중 하나로 남아 있으며, 대부분의 연구자들은 근본적으로 다른 두 가지 접근 방식에 집중해 왔습니다. 그 중 하나는 시드 템플릿 방법, 즉 템플릿 방법을 사용합니다. 이 방법은 합성된 나노시스템의 자체 조직화를 위한 전제 조건을 만듭니다. 두 번째 방법은 나노리소그래피이다.

첫 번째 방법 그룹 중에서 가장 널리 퍼진 방법은 주기적인 기공 시스템을 갖는 고체를 생성하기 위한 템플릿으로 단분산 콜로이드 구체를 사용하는 방법입니다. 이러한 방법을 사용하면 금속, 비금속, 산화물, 반도체, 고분자 등을 기반으로 하는 광결정을 얻을 수 있습니다. 첫 번째 단계에서 비슷한 크기의 콜로이드 구체는 3차원(때로는 2차원) 프레임워크의 형태로 균일하게 "포장"되며, 이후 천연 오팔과 유사한 주형 역할을 합니다. 두 번째 단계에서는 템플릿 구조의 공극에 액체가 함침되어 다양한 물리화학적 영향을 받아 고체 프레임으로 변합니다. 템플릿 공극을 물질로 채우는 다른 방법으로는 전기화학적 방법이나 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법이 있습니다.

마지막 단계에서는 특성에 따라 용해 또는 열분해 과정을 통해 주형(콜로이드 구체)이 제거됩니다. 생성된 구조는 종종 원래 콜로이드 결정의 역 복제물 또는 "역 오팔"이라고 불립니다.

실제 사용을 위해서는 광결정의 무결함 면적이 1000μm2를 초과해서는 안 됩니다. 따라서 석영 및 고분자 구형 입자를 주문하는 문제는 광결정을 만들 때 가장 중요한 문제 중 하나입니다.

두 번째 그룹의 방법에서는 단일 광자 포토리소그래피와 2광자 포토리소그래피를 사용하여 분해능이 200nm인 3차원 광결정을 생성하고 1광자 및 2광자에 민감한 폴리머와 같은 일부 재료의 특성을 활용할 수 있습니다. 2광자 조사는 이 방사선에 노출되면 그 특성을 변경할 수 있습니다. 전자빔 리소그래피는 2차원 광결정을 제조하는 데 비용이 많이 들지만 빠른 방법입니다. 이 방법은 전자빔에 노출되면 성질이 변하는 포토레지스트를 특정 위치에 빔을 조사해 공간 마스크를 형성하는 방식이다. 조사 후 포토레지스트의 일부는 씻어내고 나머지 부분은 후속 기술 사이클에서 에칭용 마스크로 사용됩니다. 이 방법의 최대 분해능은 10nm입니다. 이온빔 리소그래피는 원리적으로 유사하지만 전자빔 대신 이온빔을 사용합니다. 전자빔 리소그래피에 비해 이온빔 리소그래피의 장점은 포토레지스트가 전자빔보다 이온빔에 더 민감하고 전자빔 리소그래피에서 가능한 최소 영역 크기를 제한하는 "근접 효과"가 없다는 것입니다.

광결정을 성장시키는 다른 방법도 언급하겠습니다. 여기에는 광결정의 자발적 형성 방법, 에칭 방법 및 홀로그램 방법이 포함됩니다.

광자 미래

예측을 하는 것은 유혹적인 만큼 위험합니다. 그러나 광결정 장치의 미래에 대한 전망은 매우 낙관적입니다. 광결정의 사용 범위는 사실상 무궁무진합니다. 현재 세계 시장에는 광결정의 독특한 특성을 활용한 장치나 재료가 이미 등장하고 있다(또는 가까운 미래에 등장할 예정이다). 이는 광결정이 있는 레이저입니다(낮은 임계값 레이저 및 임계값 없는 레이저). 광결정 기반 도파관(기존 광섬유에 비해 더 작고 손실이 적음) 음의 굴절률을 갖는 물질로, 파장보다 작은 지점에 빛을 집중시킬 수 있습니다. 물리학자들의 꿈은 슈퍼프리즘이다. 광 저장 및 논리 장치; 광결정을 기반으로 한 디스플레이. 광결정은 색상 조작도 수행합니다. 높은 스펙트럼 범위를 갖는 광결정 위의 구부릴 수 있는 대형 디스플레이는 이미 개발되었습니다. 적외선 복사부터 자외선까지, 각 픽셀은 엄격하게 정의된 방식으로 공간에 위치한 실리콘 미소구체 배열인 광결정입니다. 광자 초전도체가 생성되고 있습니다. 이러한 초전도체는 광학 온도 센서를 만드는 데 사용될 수 있으며, 이는 고주파수에서 작동하고 광 절연체 및 반도체와 결합됩니다.

인간은 여전히 광결정의 기술적 사용을 계획하고 있지만 바다쥐(Aphrodite aculeata)는 오랫동안 이를 실제로 사용해 왔습니다. 이 벌레의 털은 뚜렷한 무지개빛 현상을 가지고 있어서 빨간색에서 녹색, 파란색까지 스펙트럼의 전체 가시 영역에서 100%에 가까운 효율로 빛을 선택적으로 반사할 수 있습니다. 이러한 특수한 "온보드" 광학 컴퓨터는 이 웜이 최대 500m 깊이에서 생존할 수 있도록 도와줍니다. 인간의 지능은 광결정의 독특한 특성을 사용하여 훨씬 더 발전할 것이라고 말해도 무방합니다.