Перламутровые покрытия раковин и крылья бабочки-парусника - примеры природных аналогов фотонного кристалла
Фото: leemage / AFP
В последнее десятилетие развитие микроэлектроники затормозилось, поскольку уже практически достигнуты ограничения по быстродействию стандартных полупроводниковых устройств. Все большее число исследований посвящается разработке альтернативных полупроводниковой электронике областей - это спинтроника, микроэлектроника со сверхпроводящими элементами, фотоника и некоторые другие.
Новый принцип передачи и обработки информации с помощью светового, а не электрического сигнала может ускорить наступление нового этапа информационного века.
Anodic titanium oxide photonic crystals prepared by novel cyclic anodizing with voltage versus charge modulation
Н.А. Саполетова (Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова)
С.Е. Кушнир (Химический факультет и Факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова)
К.С. Напольский (Химический факультет и Факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова)
Electrochemistry Communications, Volume 91, June 2018, Pages 5-9
Фото: SCIENCE PHOTO LIBRARY / R3F / AFP
От простых кристаллов к фотонным
Основой электронных устройств будущего могут стать фотонные кристаллы - это синтетические упорядоченные материалы, в которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется внутри структуры. В кристаллической решетке традиционного полупроводника регулярность, периодичность расположения атомов приводит к образованию так называемой зонной энергетической структуры - с разрешенными и запрещенными зонами. Электрон, энергия которого попадает в разрешенную зону, может передвигаться по кристаллу, а электрон с энергией в запрещенной зоне оказывается "запертым".
По аналогии с обычным кристаллом возникла идея кристалла фотонного. В нем периодичность диэлектрической проницаемости обуславливает возникновение фотонных зон, в частности, запрещенной, в пределах которой распространение света с определенной длиной волны подавлено. То есть, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с выделенной длиной волны (равной удвоенному периоду структуры по длине оптического пути).
Фотонные кристаллы могут иметь различную размерность. Одномерные (1D) кристаллы представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления. Двумерные фотонные кристаллы (2D) можно представить в виде периодической структуры из стержней с разной диэлектрической проницаемостью. Первые синтетические прообразы фотонных кристаллов были трехмерными и созданы еще в начале 1990-х годов сотрудниками исследовательского центра Bell Labs (США). Для получения периодической решетки в диэлектрическом материале американские ученые высверливали цилиндрические отверстия таким образом, чтобы получить трехмерную сеть пустот. Для того, чтобы материал стал фотонным кристаллом, его диэлектрическая проницаемость была модулирована с периодом в 1 сантиметр во всех трех измерениях.
Но и сегодня, даже с помощью самых современных и дорогостоящих методов электронной литографии и анизотропного ионного травления, с трудом удается изготовить бездефектные трехмерные фотонные кристаллы с толщиной более 10 структурных ячеек.
Фотонные кристаллы должны найти широкое применение в фотонных интегральных технологиях, которые в перспективе заменят электрические интегральные схемы в компьютерах. При передаче информации с использованием фотонов вместо электронов резко сократится энергопотребление, увеличатся тактовые частоты и скорость передачи информации.
Природными аналогами фотонных кристаллов являются перламутровые покрытия раковин (1D), усики морской мыши, многощетинкового червя (2D), крылья африканской бабочки-парусника и полудрагоценные камни, например, опал (3D).
Фотонный кристалл из оксида титана
Оксид титана TiO2 обладает набором уникальных характеристик, таких как высокий показатель преломления, химическая стабильность и низкая токсичность, что делает его наиболее перспективным материалом для создания одномерных фотонных кристаллов. Если рассматривать фотонные кристаллы для солнечных батарей, то здесь оксид титана выигрывает из-за своих полупроводниковых свойств. Ранее было продемонстрировано увеличение КПД солнечных элементов при использовании слоя полупроводника с периодической структурой фотонного кристалла, в том числе фотонных кристаллов из оксида титана.
Рис. 1. Изображение поперечного сечения микроструктуры фотонного кристалла из анодного оксида титана. Фотонный кристалл состоит из трубок с одинаковым внешним диаметром. В правом нижнем углу видна рассеченная трубка, внутренний диаметр которой периодически изменяется.
Рис. 1. Изображение поперечного сечения микроструктуры фотонного кристалла из анодного оксида титана. Фотонный кристалл состоит из трубок с одинаковым внешним диаметром. В правом нижнем углу видна рассеченная трубка, внутренний диаметр которой периодически изменяется.
Но пока применение фотонных кристаллов на основе диоксида титана ограничивается отсутствием воспроизводимой и недорогой технологии их создания.
Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ - Нина Саполетова, Сергей Кушнир и Кирилл Напольский - усовершенствовали синтез одномерных фотонных кристаллов на основе пористых пленок оксида титана.
"Анодирование (электрохимическое окисление) вентильных металлов, в том числе алюминия и титана, является эффективным методом получения пористых оксидных пленок с каналами нанометрового размера", - пояснил руководитель группы электрохимического наноструктурирования, кандидат химических наук Кирилл Напольский.
Анодирование обычно проводят в двухэлектродной электрохимической ячейке. В раствор электролита опускают две металлические пластины - катод и анод, и подают электрическое напряжение. На катоде выделяется водород, на аноде происходит электрохимическое окисление металла. Если периодически менять прикладываемое к ячейке напряжение, то на аноде формируется пористая пленка с заданной по толщине пористостью.
Эффективный показатель преломления будет модулироваться, если диаметр пор будет периодически меняться внутри структуры. Разработанные ранее методики анодирования титана не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Химики из МГУ разработали новый способ анодирования металла с модуляцией напряжения в зависимости от заряда анодирования, который позволяет с высокой точностью создавать пористые анодные оксиды металлов. Возможности новой методики химики продемонстрировали на примере одномерных фотонных кристаллов из анодного оксида титана.
В результате изменения напряжения анодирования по синусоидальному закону в диапазоне 40-60 Вольт ученые получили нанотрубки анодного оксида титана с постоянным внешним диаметром и периодически изменяющимся внутренним диаметром (см. рисунок).
"Применяемые ранее методики анодирования не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Мы разработали новую методику, ключевым составляющим которой является in situ (непосредственно во время синтеза) измерение заряда анодирования, что позволяет с высокой точность контролировать толщину слоев с различной пористостью в формируемой оксидной пленке", - пояснил один из авторов работы, кандидат химических наук Сергей Кушнир.
Разработанная методика упростит создание новых материалов с модулированной структурой на основе анодных оксидов металлов. "Если в качестве практического использования методики рассматривать применение в солнечных батареях фотонных кристаллов из анодного оксида титана, то еще предстоит провести систематическое исследование влияния структурных параметров таких фотонных кристаллов на эффективность преобразования света в солнечных батареях", - уточнил Сергей Кушнир.
Вентильные металлы
Вентильными металлами принято называть металлы, оксиды которых образуют пленки такие, что из проводимость в противоположных направлениях сильно различается (это и есть "вентильное" свойство). Типичные представители - алюминий, тантал, титан, ниобий.
Фотоника, спинтроника и другие оники
Электроника называется так потому, что агентом, передающим сигнал в "электронных" приборах, являются электроны. Развитие технологий миниатюризации превратило ее во второй половине XX века в микроэлектронику, но электроны остались теми же самыми. И в этом отношении ультрасовременные гаджеты и суперкомпьютеры ничем не отличаются от довоенного лампового приемника.
Но, кроме электронов, в микромире есть и другие частицы, а также квазичастицы (квазичастица - это квантовый объект, в некоторых отношениях подобный частице, но не являющийся ею в точном смысле слова). Использование каждой из них для передачи сигнала потенциально может к построению новой ветви приборостроения. Во всех этих направлениях ведутся энергичные теоретические и экспериментальные исследования. Вот главные (квази)частицы приборов будущего:
Фононика. Фонон - это квант колебаний кристаллической решетки.
Магноника. Магнон - квант колебаний взаимодействующих квантовых магнитов (магнитных моментов). Соответственно, магноны характерны для магнитных веществ.
Фотоника. Фотон - квант колебаний электромагнитного поля (в, частности, света). Термин "фотоника" употребляется и в более широком смысле как вообще наука о свойствах фотонов.
Плазмоника. Плазмоны родственны электронам, но это не сами электроны, а кванты коллективных колебаний электронного газа в твердом теле.
Спинтроника также использует в качестве переносчика сигнала электроны, но эксплуатируется не заряд, как в обычной электронике, а магнитный момент (спин) электрона.
В обычной микроэлектронике выделяют также раздел "микроэлектроника со сверхпроводящими элементами", поскольку свойства электронов в сверхпроводящем состоянии радикально отличаются от стандартных.
Перечисленные выше - это канонические квантовые объекты, известные давно, но еще не нашедшие массовых технологических применений. В последние же годы обнаружено несколько новых, экзотических квазичастиц, и с каждой из них немедленно возникает новая "оника". Так обсуждается возможность использования в микроприборах, компьютерах, в том числе квантовых, и элементах памяти скирмионов (это двумерный магнитный вихрь), бобберов (трехмерный родственник скирмиона) и майорановских возбуждений (а это вообще в трех словах не описать).