211service.com
Tredimensionella fotoniska kristaller lyser
För första gången har forskare gjort högkvalitativa tredimensionella fotoniska kristaller och använt dem för att göra en mycket effektiv lysdiod (LED). Tredimensionella fotoniska kristaller lovar att öka prestandan hos nästan vilken optisk enhet som helst, vare sig det är en skärm, en solcell eller en effektiv glödlampa - men fram till nu hade ingen kunnat göra dem med kommersiellt gångbara metoder eller användbara material . Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign arbetar nu med solceller baserade på strukturerna.
Kristallfyllning: Den här illustrationen visar galliumarsenid (blått) som växer runt en mall för att skapa en tredimensionell fotonisk kristall.
Fotoniska kristaller kan kontrollera absorption, emission och rörelse av ljus på ett mycket exakt sätt baserat på deras struktur. De har varit ett hett forskningsområde sedan slutet av 1980-talet. Hittills har det bara varit praktiskt att göra platta, tvådimensionella fotoniska kristaller. Dessa kontrollerar ljusets rörelse mycket väl i två dimensioner, men inte perfekt i den tredje. Ändå har de varit mycket framgångsrika. Ett företag ringde Luxtera har till exempel utvecklat sätt att bygga fotonkristallbaserade optiska sammankopplingar direkt på datorchips. Att föra optiska signaler närmare datorprocessorer hjälper till att påskynda dataöverföringen, och att använda fotoniska kristaller hjälper till att hålla storleken på dessa länkar kompakta. Luminus har fokuserat på lysdioder, för vilka kristallerna hjälper till att förbättra ljuseffekten, vilket gör dessa enheter ljusare och mer strömsnåla.
Men tredimensionella fotoniska kristaller skulle göra ännu bättre optiska enheter. Den viktigaste fördelen är att du verkligen kan kontrollera ljusets utbredning i alla dimensioner, säger Paul Braun , professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois. Braun leder arbetet med tredimensionella fotoniska kristaller, och hans grupp arbetar också med att göra solceller från kristallerna.
Att göra dessa strukturer är knepigt. Fotoniska kristallstrukturer varierar, men de är ofta gjorda genom att borra hål i nanoskala, stavar och andra funktioner i ett material. Att mönstra en platt platta av material med de nödvändiga strukturerna i nanoskala för att göra en tvådimensionell fotonisk kristall är en relativt enkel process. Det är mycket svårare att få in den typen av mönster i en tjock bit av material för att skapa en tredimensionell struktur utan att försämra materialet. Och de typer av fotoniska kristaller som är mest användbara - de som aktivt kan omvandla mellan elektriska signaler och optiska, förutom att exakt manipulera ljusflödet - är svårast att göra eftersom materialfel introduceras under processen. Denna ljus-till-elektricitet och bakåtkonvertering är avgörande i lysdioder, solceller och optiska datasammankopplingar för datoranvändning.
University of Illinois-gruppen gjorde högkvalitativa tredimensionella fotoniska kristaller genom att odla dem på en mall, från botten och upp, snarare än genom att försöka introducera nanoskala mönstren i materialbitar. Forskarna börjar med att göra mallen, staplar av packade nanoskala sfärer. De placerar sedan mallen inuti en ångavsättningskammare och strömmar in en serie gaser som innehåller gallium och arsenid. Materialen deponeras på mallen och växer runt den. Det är som att fylla upp en låda med pingisbollar med vatten: materialet som flödar in fyller utrymmena mellan sfärerna. Sedan tar de bort sfärerna kemiskt och lämnar efter sig en tredimensionell fotonisk kristall - en bit av kristallin galliumarsenid som är full av hål i nanoskala.
Galliumarsenid används för att göra optiska enheter som fotodetektorer, men att göra det till tredimensionella fotoniska kristaller har inte varit möjligt tidigare. Inte bara kunde forskarna från Illinois göra en tredimensionell fotonisk kristall av materialet, de kunde också använda den för att göra en lysdiod som drivs av en elektrisk ström.
Jag har väntat länge på att någon ska åstadkomma vad [Illinoisgruppen] har åstadkommit, säger Eli Yablanovitch , professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California, Berkeley. I slutet av 1980-talet gjorde Yablanovitch en del av det grundläggande arbetet med fotoniska kristaller och förde fram idén om att vissa konstruktioner kan avge ljus på ett mycket kontrollerat sätt som är användbart för lysdioder.
Yablanovitch säger att det är svårt att förutsäga vad som kommer att bli resultatet av detta arbete, och när, eftersom ingen har gjort praktiska tredimensionella fotoniska kristaller tidigare. Några av de mest övertygande applikationerna fylls redan av tvådimensionella fotoniska kristaller, säger han. Om det blir lika enkelt att göra tredimensionella fotoniska kristaller som att göra sina platta motsvarigheter redan i produkter, skulle de alltid vara förstahandsvalet, säger Yablanovitch.
Tekniken är förmodligen fortfarande flera år bort från kommersialisering, säger Braun.