Was ist ein photonischer Kristall?

Photonische Kristalle, auch als photonische Bandgap -Materialien bekannt, sind periodische Nanostrukturen, die leichte Lichtwellenlängen in ähnlicher Weise wie Halbleiter auf einem Computerchip selektiv durch bestimmte elektronische Energiebänder leiten können.Der Begriff „Bandgap“ bezieht sich lediglich auf Lücken im Spektralband des Lichts, das durchleuchtet.Ein Regenbogen zum Beispiel fehlt Bandlücken, da Wasser transparent ist und keine spezifische Frequenz absorbiert.Ein Regenbogen, der durch einen photonischen Kristall geht, hätte je nach der jeweiligen Nanostruktur im Kristall selektive Lücken.

Es gibt einige natürliche Materialien, die die Struktur eines photonischen Kristalls annähern.Einer von ihnen ist der Edelsteinopal.Sein Regenbogen-ähnlicher Schillern wird durch periodische Nanostrukturen in sich verursacht.Die Periodizität der Nanostruktur bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts zulässig sind und welche nicht.Die Periode der Struktur muss die Hälfte der Wellenlänge des Lichts sein, das durchliegen wird.Die zulässigen Wellenlängen sind als „Modi“ bezeichnet, während die verbotenen Wellenlängen die photonischen Bandlücken sind.Ein Opal ist kein echter photonischer Kristall, da ihm eine vollständige Bandlücke fehlt, aber für die Zwecke dieses Artikels annähertMorpho.Diese führen zu schönen blauen, schillernden Flügeln.

photonische Kristalle wurden erstmals 1887 vom berühmten britischen Wissenschaftler Lord Raleigh untersucht. Ein synthetischer eindimensionaler photonischer Kristall namens Bragg-Spiegel war Gegenstand seiner Studien.Obwohl der Bragg -Spiegel selbst eine zweidimensionale Oberfläche ist, erzeugt er nur den Bandlückeneffekt in einer Dimension.Diese wurden verwendet, um reflektierende Beschichtungen zu erzeugen, bei denen das Reflexionsband der photonischen Bandlücke entspricht.

Hundert Jahre später, 1987, schlugen Eli Yablonovitch und Sajeev John die Möglichkeit von zwei- oder dreidimensionalen photonischen Kristallen vor, die Bandlücken in verschiedene Richtungen gleichzeitig erzeugen würden.Es wurde schnell erkannt, dass solche Materialien zahlreiche Anwendungen in Optik und Elektronik haben würden, wie LEDs, optische Faser, nanoskopische Laser, Ultrawhite -Pigment, Funkantennen und Reflektoren und sogar optische Computer.Die Forschung zu photonischen Kristallen dauert an.

Eine der größten Herausforderungen bei der photonischen Kristallforschung ist die winzige Größe und Präzision, die zur Erzeugung des Bandlückeneffekts erforderlich ist.Die Synthese von Kristallen mit Periodennanostrukturen ist mit heutigen Fertigungstechnologien wie der Photolithographie ziemlich schwierig.3D-photonische Kristalle wurden entworfen, aber nur in extrem begrenztem Maßstab hergestellt.Vielleicht wird die Massenproduktion dieser Kristalle mit dem Aufkommen der Bottom-up-Herstellung oder der molekularen Nanotechnologie möglich.