Оптические свойства.

Запирание электрона с эффективной массой m* в соответствии с принципом неопределенности приводит к резко выраженная дискретности энергетических уровней в разрешенной зоне:

ΔE = ħ²k²/2m* = (π² ħ² /L²) /2m*,

где n = 1, 2, .... - квантовое число, ħ = h / 2π - нормированная постоянная Планка,. (Каждому nсоответствует разрешенный энергетический уровень Е. Чем меньше L, тем больше отличаются соседние Е₁ и Е₂, ΔE =Е₁ - Е₂),

Наблюдается увеличение импульса частицы p_n на величину ħ/L.В соответствии с постулатом Бор: в потенциальной яме разрешены лишь те траектории, для которых импульс p_n и ширина ямы L связаны соотношением:

p_n L = π ħ n,

Т.о. чем уже потенциальная яма, тем больше импульс.

Свойства квантовых точек:

- широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения. Это достоинство принципиально при создании систем многоцветного кодирования (цветные стекла);

- высокая яркость флуоресценции, определяемая большим импульсом, высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS – до 70%);

- уникально высокая фотостабильность, что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности (по сравнению с другими распространенными красителями, быстро разрушающимися под лучом ртутной лампы во флуоресцентном микроскопе).

Линии передачи.

Волоконнооптический световод состоит из сердечника с показателем преломления n_си отражающего покрытия (оболочки) с n_об . При условии n_с > n_об и Q < Q_кр ( где Sin Q_кр = n_об / n_с ) свет испытывает полное внутреннее отражение от оболочки и распространяется внутри световода. При Q > Q_кр часть световой энергии проходит через оболочку и рассеивается в пространстве.

Q < Q_кр

Q_кр

Q > Q_кр

n_с n_об

Рис. Схема ввода и распространения света по световоду - волокну.

Оптический волновод. На основе эффекта полного внутреннего отражения функционирует также оптический волновод (waveguide). Эффект реализуется за счет границ материалов с различным показателем преломления n: кремния, окиси кремния и воздуха. Волновод удобен для оптических интегральных схем, так как открытый конструктив позволяет формировать в нем: диоды, поглощающие нагрузки и т.п..

Рис. Сечение одномодового оптического волновода и структура поля.

Рис. Схема полностью оптического устройства обработки информации.

Рис. Структура интегральной схемы, выполненной на оптическом волноводе, в составе направленного ответвителя (), фазового модулятора.

3D «Фотонные кристаллы» (Photonic Lattices) - это материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением диэлектрической проницаемости ε и, следовательно, коэффициента преломления n, в масштабах, сопоставимых с длинами волн λ излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Обычно одним из материалов является воздух с ε = 1. Периодичность может быть реализована с помощью пористых структур, решеток из нанопроводов (как 2D, так и 3D), молекулярных кристаллов.

Рис. Схематичная структура одномерных (1D из 2D), двумерных (2D из 1D) и трехмерных (3D из 0D) фотонных кристаллов.

А В

Рис. Изображение фотонного кристалла на пористой основе А - окиси алюминия (Al₂O₃) В - кремния (после фильтрации кремния в структуру опала и выщелачивания сфер SiO₂).

Микрополости – резонаторы в фотонных кристаллах находят множество применений. Например, если в полость поместить квантовую точку, то можно подавлять и значительно усиливать её спонтанную эмиссию (эффект Пёрселла). Контроль эмиссии отдельных фотонов, свою очередь, необходим в таких областях, как квантовая криптография.

Рис. Изображение фотонного кристалла на основе нанопроводов кремния (слева) и вольфрама (справа).

Рис. Изображение фотонного кристалла кубической структуры из микросфер полистирола.

В двумерном фотонном кристалле можно сформировать световод как дорожку, свободную от вертикальных штырей. По аналогии с сетчатыми экранами радиоволн, перпендикулярные подложке штыри будут отражать световые волны, если их размеры сопоставимы с длиной оптической волны, а материал обладает отражающими свойствами.

Рис. Световод на двумерном фотонном кристалле. Хорошо просматривается дорожка между штырями.

«Аномальная» дисперсия света. Будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны получили название “фотонные запрещенные зоны” (photonic band gap, PBG). Это обстоятельство обуславливает существование в таких структурах модуляции коэффициента преломления n с периодом, сопоставимым с длинами волн излучения. Имеет место «аномальная» дисперсия света.

Рис. Схема дисперсии света на обычной призме (слева) и на фотонном кристалле (справа).

а б в

Рис. Рассеяние фотонов на 1D-, 2D- и 3 D –структурах.

При рассеянии фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено. Для одномерного кристалла - нити (а), такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае (б) - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей. Трехмерный случай (в) принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны. (К тому же классу физических объектов можно отнести и фазированные антенные решетки.)

Фотонные кристаллы перспективны для создания светодиодов с высоким КПД, новых типов лазеров с низким порогом генерации, световых волноводов, оптических переключателей, фильтров, а также устройств цифровой вычислительной техники.

- Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и безпороговые лазеры.
- Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями.
- С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным коэффициентом преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;
- Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств;

Фотоннокристаллическое оптоволокно. Создание фотонных кристаллов и так называемых фотоннокристаллических или «дырчатых» волоконных световодов на их основе является одним из наиболее значительных достижений оптических технологий последних лет. Фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) (англ. Photonic-crystal fiber) – это оптическое волокно (ОВ), оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла. Благодаря такой структуре оболочки открываются новые возможности управления в широком диапазоне дисперсионными свойствами волокон и степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах.

Рис. Виды световодов, основанных на фотонных кристаллах: А – ФКВ со сплошной световедущей жилой, Б - ФКВ с полой сердцевиной.

ФКВ со сплошной световедущей жилой представляют собой кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами. Волноводные свойства таких световодов обладают одновременно двумя эффектами:
- эффектом полного внутреннего отражения,
- зонными свойствами фотонного кристалла.

В таких волокнах, где свет удерживается за счет фотонной запрещенной зоны, как и в фотонном кристалле, свет может распространяться по сердцевине волокна с показателем преломления меньшим, чем средний показатель преломления оболочки.

В ФКВ с полой сердцевиной локализация оптического излучения в сердцевине из-за полного внутреннего отражения невозможна. Наличие фотонной запрещенной зоны у периодической структуры обеспечивает основные свойства. Возможно распространение света в полой сердцевине, что позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения и уменьшить потери и нелинейные эффекты.

Рис. Оптическая ячейка памяти с лазерной подсветкой.

Информация считывается и записывается с помощью луча лазера. Когда на материал ячейки попадает свет определенной длины волны, показатель преломления материала изменяется. В одном случае ячейка пропускает свет с другой длиной волны, в обратном случае - становится непрозрачной. Свет от дополнительного лазера используется для постоянной подсветки всех ячеек памяти на чипе и выполняет роль энергетической подкачки, позволяющей ячейкам хранить информацию длительное время.

Излучение.

Уменьшение энергии электрона от Е₁ до Е₂ сопровождается выделением энергии - излучением, равновесным (тепловым) или неравновесным (люминесценцией). При изменении энергии электрона происходит излучение фотона с энергией

ΔЕ = Е₁ - Е₂ = hn .

Одним из вариантов является переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация). Предварительно электрон за счет внешней энергии переходит из валентной зоны в зону проводимости – происходит генерация пары «свободный носитель заряда – вакансия» («электрон - дырка»). Без внешней поддержки электрон возвращается в валентную зону, занимая прежнюю вакансию – происходит рекомбинация и, как следствие - излучение фотона.

Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Поглощение фотона рождает электрон- дырочные пары, а рекомбинация электронов и дырок вызывает флуоресценцию. Изменяя размеры наночастиц можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра. На электроны (фермионы) распространяется принцип Паули: на одном энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов с противоположными спинами. При объединении атомов в кристалл уровни расщепляются на множество подуровней, расстояние между которыми зависит от числа пар электронов. В массивных образцах электронов много, поэтому расстояние между подуровнями мало - порядка 10^-22 эВ. Это расстояние легко преодолевается возбужденными электронами, поскольку средняя кинетическая энергия электрона в состоянии термодинамического равновесия - 0.04 эВ. В этом случае изменение энергии ΔЕ и частота излучения νмалы. Человеческий глаз этого не замечает. (Пример: излучение в инфракрасном диапазоне.)

В наноструктурах расстояние между разрешенными энергетическими подуровнями существенно больше, чем в массивном материале. Самопроизвольного перехода с одного подуровня на другой не происходит из-за большего расстояния (чище спектр). Переход возможен лишь с помощью внешней энергии (энергии накачки). На этапе рекомбинации изменение энергии ΔЕ больше, и частота излучения ν соответствует видимой части спектра. Причем изменение энергии ΔЕ и, следовательно, частота излучения ν зависит от числа электронов, т.е. числа атомов квантовой точки. Изменяя размер квантовой точки, можно изменить цвет излучения.

Виды люминесценции.

Люминесценциясвязана с рекомбинацией избыточных носителей заряда, возникших в результате внешних воздействий. В зависимости от вида воздействия различают

- фотолюминесценцию: свечение после светового облучения (фосфоресцирующие краски на циферблатах часов, елочных игрушках),

- хемолюминесценцию: свечение в результате химической реакции (гниение),

- электролюминесценцию: свечение диода при пропускании прямого тока через специальный люминесцентный состав или р-n переход (светодиод).

- электронолюминесценцию: свечение в результате бомбардировки электронами покрытия электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) не только в видимом диапазоне, но и в ИК, как в биотелeвизорах Samsung.

Фотолюминесценция.

0D Квантовые точки

Рис. Зависимость ширины запрещенной зоны от диаметра нанокристалла.

Рис. Квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами.

В С

Рис. Свойства квантовых точек из разных материалов. А - Диапазоны флуоресценции нанокристаллов, изготовленных из разных материалов. В - CdSe квантовые точки разных размеров в видимом диапазоне 460–660 нм.С - Схема стабилизированной квантовой точки, где «ядро» покрыто оболочкой из полупроводника и защитным слоем полимера.

Светящаяся метка подлинности. Струйным распылением коллоидного раствора наночастиц можно сформировать на поверхности ценного предмета или документа невидимую в обычном свете метку. При освещении ультрафиолетом проявляется удостоверяющая подлинность метка.

Рис. Невидимая в обычном свете метка проявляется под воздействием ультрафиолетового излучения.

Детектор наркотиков. Выявление личности преступника основано на обнаружении отпечатков пальцев. Если к традиционным магнитным частицам, специфическим к метаболитам известных наркотиков, добавить флуоресцирующие антитела, то можно визуализировать присутствие наркотиков. Метаболиты препаратов, находящихся в организме человека, выделяются с потом. Флуоресценцию этих красителей можно наблюдать в видимом свете – отпечатки пальцев светятся зеленым или красным светом, в зависимости от типа красителя.

Использование соответствующих специфических антител позволяет также детектировать в отпечатках пальцев ТГК (тетрагидроканнабинол) – основное действующее вещество марихуаны, бензоилэкгонин – первичный метаболит кокаина, и метадон и его метаболиты. Различные антитела позволяют детектировать и другие интересующие криминалистов вещества.

Рис. Детекция метадона и EDDP (2-этилиден-1,5-Диметил-3, 3-дифенилпирролидена, основного метаболита метадона) в отпечатках пальцев:

а) отпечаток пальца и b) его флуоресцентная картина, полученная в результате инкубации с магнитными антиметадоновыми вторичными антителами, конъюгированными с флуоресцентным красителем Alexa Fluor 488;

с) отпечаток пальца и d) его флуоресцентная картина, полученная после инкубации с аналогичным магнитным анти-EDDP вторичным антителом, конъюгированным с флуоресцентным красителем Alexa Fluor 546.

Уникальный рисунок отпечатков пальцев при этой процедуре сохраняется, а высокое разрешение получающихся изображений далее может быть соотнесено с изображениями из базы данных по стандартной процедуре. Изображения приобретают даже еще большее значение, поскольку становятся видны мельчайшие потовые поры на коже, и это придает отпечаткам дополнительные характеристики уникальности.

Лампы на квантовых точках. В новых лампах «холодные» светодиоды пропускают свой поток излучения через тончайший слой квантовых точек (полупроводниковых нанокристаллов), который поглощает одни частоты и излучает другие. 10 тысяч квантовых точек- можно поместить на срезе волоса.

Рис. Лампа Array PAR30 (AP/Mark Lennihan).

В PAR30 - 120 светодиодов. Лампа потребляет 7,8 ватта, а светит примерно как лампа накаливания 75 ватт, Имеет приятный для глаз свет.

Электролюминесценция.

Светодиоды. Светодиоды - это преобразователи электрической энергии в световую, которая является результатом рекомбинации в р-п переходе пар «электрон – дырка» с выделением кванта света. Вблизи р-п перехода концентрация пар больше, чем в других областях. Но при большой толщине перехода значительная часть выделенной энергии расходуется на нагрев – безизлучательная рекомбинация. Уменьшение толщины перехода увеличивает долю света по сравнению с нагреванием. Использование очень тонких гетеропереходов позволяет накапливать электроны в квантовых ямах. Это повышает эффективность преобразования. Цвет излучения (длина волны λ) определяется материалами полупроводников (шириной запрещенной зоны).

Рис. Схема и энергетическая диаграмма полупроводникового светодиода.

Светоизлучатель на углеродной нанотрубке тмеет структуру полевого транзистора. Дырки и электроны сконцентрированы у разных электродов. Подача напряжения на затвор инициирует их рекомембинацию.

Лазеры на квантовых точках. В нанокристаллах, состоящих из ядра сульфида кадмия и оболочки из селенида цинка электроны и дырки физически изолированы друг от друга. В подобных нанокристаллах для оптического излучения требуется только один экситон.

Электроны захватываются ядром из CdS, а дырки попадают на оболочку из ZnSe. Внешнее возбуждение инициирует процесс рекомбинации электрона и дырки с формированием фотона.

Лазер с нанопроводниками ZnO активируется широкополосным оптическим излучением (фотолюминсценция). Выходной сигнал нанолазера очень узкополосен.

Рис. Вертикальные нанолазеры с использованием нанотрубок ZnO: структура, изображение, график спектра излучения.

Лазеры с фотонными кристаллами. Зеркала резонатора заменены на фотонные кристаллы, созданные по технологии «woodpiles» (поленница).

Рис. Лазер с резонатором на фотонном кристалле из арсенида галлия.

В 3D фотонном нанокристалле периодическая структура из диэлектрического материала формирует фотонную запрещенную зону, которая препятствует распространению света с определенной длиной волны.

Лазер на жидких кристаллах – это 2D матрица из 0D квантовых точек.

Матрица на жидких кристаллах представляет собой 2D фотонный кристалл - оптический фильтр, который пропускает свет только определённой длины волны. Выстроенные в строгом порядке молекулы работают как оптический резонатор, многократно отражая и усиливая входное излучение.

Физический принцип
0D на квантовых точках.
Матрица из 0D жидких кристаллов
1D Квантовые нити Нанотрубки ZnO
2D Квантовые поверхности.

Электронолюминесценция. Дисплеи.

Электронолюминесценция наноконусов для ПЭД. Разработан малоразмерный аналог ЭЛТ – полевые эмиссионные дисплеи (ПЭД) или Field Emission Display (FED).

Рис. Структура ПЭД.

Как и в ЭЛТ, в ПЭД - дисплеях изображение создается за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. В случае ЭЛТ используются три электронные пушки, лучи каждой из которых при помощи отклоняющей системы последовательно пробегают по строкам экрана. А в ПЭД - дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые наноконусы диаметром около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. Благодаря использованию множества крохотных «холодных» катодов ПЭД - дисплеи при том же размере экрана получаются значительно более тонкими и легкими и обладают более низким энергопотреблением по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. ПЭД - дисплеи обеспечивают столь же высокую яркость изображения и широкий эффективный угол обзора, что и ЭЛТ-мониторы. При этом ПЭД - технология позволяет добиться более высокого (по сравнению с ЭЛТ) контраста изображения при сохранении столь же высокой точности цветопередачи (чем пока не могут похвастаться ЖК-дисплеи). Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) позволяет обеспечить высокую надежность ПЭД -дисплеев. Недостатком ПЭД -дисплеев является сложность их производства. По этой причине выпуск подобных дисплеев может быть рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана.

Дисплей на фотонных кристаллах. Канадская компания Opalux анонсировала свою новую разработку - технологию производства гибких дисплеев P-Ink, которая позволяет получить качество изображения заметно выше, чем у существующих аналогов. Можно делать экраны практически любого размера, от дисплеев мобильных устройств до рекламных щитов. В разработке Opalux используются фотонные кристаллы из сферических частиц кремния размером около 200 нанометров. Массив фотонных кристаллов встраивается в подложку из упругого полимерного материала. При помощи специальных прозрачных электродов расстояние между кристаллами изменяется и вместе с ним меняется длина волны света, который будет отражаться от этого места поверхности. Таким образом, для отражения света нужной длины волны можно задействовать всю площадь новой электронной бумаги.

Рис. Дисплей на фотонных кристаллах.

Дисплей с квантовыми точками. Одним из перспективных направлений в технологии дисплеев является использование в качестве люминофоров квантовых точек для них характерны узкие полосы испускания света и высокие значения квантового выхода. Они не страдают основным недостатком конкурирующей технологии OLED – недолговечностью органических люминофоров.

Контролируя спектральный выход квантовых точек, технология может использовать миллиарды точек в плёнке дисплея для улучшения диапазона цветов и яркости.

Даже небольшого количества примесных катионов хватает, чтобы эффективно препятствовать движению носителей заряда. Во многих квантовых точках и наностержнях носители заряда делокализованы в пространстве всего кристалла, что весьма увеличивает вероятность их столкновения с примесями (и тут уж всё равно, сколько «грязи» содержит кристалл). Нагревание же раствора приводит к удалению загрязнения и устранению примесных ловушек для носителей заряда, что обеспечивает электронам и дыркам время для излучательной рекомбинации и тем самым резко повышает выход люминесценции.

Процесс изготовления матрицы из светящихся пикселей: на гладкую поверхностно-модифицированную подложку (а это может быть, например, кремний) методом spin-coating наносят слой квантовых точек. Затем при помощи полимерной формы от слоя квантовых точек отделяются полоски и печатаются на стеклянную или пластиковую основу. Процедуру повторяют поочередно для красных, зеленых и синих квантовых точек. В результате получается полосатая матрица, в которой каждая полоска может выполнять роль субпикселя матрицы дисплея.

Исследователи изготовили дисплей с диагональю 4 дюйма и разрешением 320х240 пикселей. В качестве подсветки была использована матрица светодиодов из аморфного оксида гафния-индия-цинка. Размер одного пикселя составил 46х96 мкм, что уже достаточно для воспроизведения формата HDTV.

Рис. a) - Схема изготовления люминесцентной панели; b) - Флуоресцентная микрофотография получившихся полосок (возбуждение 365 нм). Samsung Electronics

Рис. Микрофотография полосок из квантовых точек.

Рис. Дисплей на квантовых точках.

Дисплей на графене. Графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.

Несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl3) приводит к взаимодействию