211service.com
Driedimensionale fotonische kristallen schijnen
Voor het eerst hebben onderzoekers hoogwaardige driedimensionale fotonische kristallen gemaakt en deze gebruikt om een zeer efficiënte light-emitting diode (LED) te maken. Driedimensionale fotonische kristallen beloven de prestaties van zowat elk optisch apparaat te verbeteren, of het nu een beeldscherm, een zonnecel of een efficiënte gloeilamp is, maar tot nu toe was niemand in staat geweest ze te maken met commercieel haalbare methoden of werkbare materialen . Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign werken nu aan zonnecellen op basis van de structuren.
Kristal vulling: Deze illustratie toont galliumarsenide (blauw) dat rond een sjabloon groeit om een driedimensionaal fotonisch kristal te creëren.
Fotonische kristallen kunnen de absorptie, emissie en beweging van licht op een zeer nauwkeurige manier regelen op basis van hun structuur. Ze zijn sinds het einde van de jaren tachtig een populair onderzoeksgebied. Tot nu toe was het alleen praktisch om platte, tweedimensionale fotonische kristallen te maken. Deze regelen de beweging van het licht heel goed in twee dimensies, maar niet perfect in de derde. Toch zijn ze zeer succesvol geweest. Een bedrijf genaamd Luxtera , heeft bijvoorbeeld manieren ontwikkeld om op fotonische kristallen gebaseerde optische verbindingen rechtstreeks op computerchips te bouwen. Door optische signalen dichter bij computerprocessors te brengen, wordt de gegevensoverdracht versneld, en het gebruik van fotonische kristallen helpt de grootte van deze verbindingen compact te houden. Luminus heeft zich gericht op LED's, waarvoor de kristallen de lichtopbrengst helpen verbeteren, waardoor deze apparaten helderder en energiezuiniger worden.
Driedimensionale fotonische kristallen zouden echter nog betere optische apparaten zijn. Het belangrijkste voordeel is dat je de verspreiding van licht in alle dimensies echt kunt controleren, zegt Paul Braun , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois. Braun leidt het werk aan driedimensionale fotonische kristallen en zijn groep werkt ook aan het maken van zonnecellen van de kristallen.
Het maken van deze structuren is lastig. Fotonische kristalstructuren variëren, maar ze worden vaak gemaakt door gaten, staafjes en andere kenmerken op nanoschaal in een materiaal te boren. Het modelleren van een vlakke plaat materiaal met de noodzakelijke structuren op nanoschaal om een tweedimensionaal fotonisch kristal te maken, is een relatief eenvoudig proces. Het is veel moeilijker om dat soort patronen in een dik stuk materiaal te krijgen om een driedimensionale structuur te maken zonder het materiaal te verslechteren. En de soorten fotonische kristallen die het nuttigst zijn - diegene die actief kunnen converteren tussen elektrische en optische signalen, naast het nauwkeurig manipuleren van de lichtstroom - zijn het moeilijkst te maken omdat tijdens het proces materiële gebreken worden geïntroduceerd. Deze licht-naar-elektriciteit en terug-conversie is van cruciaal belang in LED's, zonnecellen en optische data-interconnecties voor computers.
De University of Illinois-groep maakte driedimensionale fotonische kristallen van hoge kwaliteit door ze van onderaf op een sjabloon te laten groeien in plaats van te proberen de patronen op nanoschaal in stukken materiaal te introduceren. De onderzoekers beginnen met het maken van de sjabloon, stapels ingepakte bolletjes op nanoschaal. Vervolgens plaatsen ze de sjabloon in een opdampkamer en stromen een reeks gassen in die gallium en arsenide bevatten. De materialen worden op de sjabloon afgezet en groeien eromheen. Het is als het vullen van een doos pingpongballen met water: het ingestroomde materiaal vult de ruimtes tussen de bollen. Daarna verwijderen ze chemisch de bollen, waarbij een driedimensionaal fotonisch kristal achterblijft - een homp kristallijn galliumarsenide dat vol zit met gaten op nanoschaal.
Galliumarsenide wordt gebruikt om optische apparaten zoals fotodetectoren te maken, maar het was niet eerder mogelijk om er driedimensionale fotonische kristallen van te maken. Niet alleen waren de Illinois-onderzoekers in staat om een driedimensionaal fotonisch kristal van het materiaal te maken, ze konden het ook gebruiken om een LED te maken die wordt aangedreven door een elektrische stroom.
Ik heb lang gewacht tot iemand zou bereiken wat [de Illinois-groep] heeft bereikt, zegt Eli Yablanovitch , een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley. Aan het eind van de jaren tachtig deed Yablanovitch een deel van het fundamentele werk aan fotonische kristallen, waarmee hij het idee naar voren bracht dat bepaalde ontwerpen op een zeer gecontroleerde manier licht kunnen uitstralen, wat handig is voor LED's.
Yablanovitch zegt dat het moeilijk te voorspellen is wat het resultaat zal zijn van dit werk, en wanneer, omdat niemand eerder praktische driedimensionale fotonische kristallen heeft gemaakt. Enkele van de meest boeiende toepassingen worden al ingevuld door tweedimensionale fotonische kristallen, zegt hij. Als het net zo eenvoudig wordt om driedimensionale fotonische kristallen te maken als het is om hun platte tegenhangers al in producten te maken, zouden ze altijd de eerste keuze zijn, zegt Yablanovitch.
De technologie is waarschijnlijk nog enkele jaren verwijderd van commercialisering, zegt Braun.