光电工程师社区

标题: 三维光子晶体实用化 [打印本页]

作者: dameinv 时间: 2011-9-14 17:49
标题: 三维光子晶体实用化

水晶填充：图中显示，砷化镓（蓝色）围绕一个模板生长，形成三维光子晶体。

这项研究可以改进太阳能电池和LED，研究人员首次制成实用的工作设备，采用的就是三维光子晶体。

2011年7月28日，这是研究人员第一次制成高品质的三维光子晶体，并用它们制成高效发光二极管（LED）。三维光子晶体可以改进几乎任何光学器件的性能，显示器，太阳能电池，或高效灯泡都可以改进，但是，到现在为止，没有人能够用商业上可行的方法或可行的材料制备它们。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的研究人员目前正在研究的太阳能电池就是基于这种结构。

光子晶体可以控制光的吸收，发射和运动，具有非常精确的方式，就是基于它们的结构。 20世纪80年代后期以来，它们就一直是一个热门研究领域。到目前为止，实际只能制作平面的二维光子晶体。这些可以很好地控制光的运动，只是在二维平面，但在三维就不完美。不过，他们已经非常成功。例如，有家公司叫卢克斯泰勒（Luxtera），已开发出一些方法，可制造基于光子晶体的连接器产品，就直接做到计算机芯片上。使光信号接近计算机处理器，有助于加快数据传输，而且，利用光子晶体，有利于保持这些连接的尺寸紧凑。陆明诺斯公司（Luminus）一直专注于发光二极管，在此，这种晶体有助于提高光输出，使这些设备更明亮，更节能。

然而，三维光子晶体可以制备甚至更好的光学设备。“关键的优势是，你真的可以控制光在所有维度的传播，”保罗•布朗（Paul Braun）说，他是伊利诺斯大学材料科学与工程教授。布朗领导这项三维光子晶体的工作，他的研究小组也研究用这种晶体制造太阳能电池。

制备这些结构是棘手的。光子晶体结构有所不同，但它们的制备，常常是把纳米尺度的孔、棒以及其他特征刺入材料。采用必要的纳米结构，给一块平板材料加上图案，以制成二维光子晶体。这是一个相对简单的过程。难得多的是把那种图案刻进厚厚的一块材料中，制成三维结构，而又不会使材料降级。那种光子晶体是最有用的，可以活跃地在电信号和光信号之间转换，而且能够精确操纵光线流（flow of light），这种光子晶体最难制作，因为在这个过程中，材料会产生缺陷。这种光-电转换和逆向转换是至关重要的，在发光二极管，太阳能电池和光学数据计算连接器中都是这样。

作者: dameinv 时间: 2011-9-14 17:49
伊利诺伊大学的小组制备高品质三维光子晶体，方式是在一块模板上培育它们，完完全全是培育，而不是试图把纳米尺度的模式做进块状材料中。研究人员首先制作模板，就是堆叠压紧的纳米球。然后，他们把模板放进一个气相沉积容器（vapor-deposition chamber），输入一系列包含镓（gallium）和砷化物的气体。这些材料会沉积到模板上，并在它周围生长。这就像用水灌满一盒乒乓球：流入的材料填满了乒乓球之间的空间。然后，他们采用化学方式去除这些球体，留下一种三维光子晶体，就是一大块砷化镓（gallium arsenide）晶体，布满纳米尺度的小孔。

砷化镓可用来制作光学器件，如光电探测器，但用它制作三维光子晶体，在以前是不可能的。伊利诺伊大学的研究人员不仅能够用这种材料制成三维光子晶体，他们也能用它制成电流驱动的LED。

“我一直等待了很长一段时间，希望有人来完成伊利诺伊大学小组完成的工作，”礼艾力•雅布兰诺维奇（Eli Yablanovitch）说，他是美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）电气工程和计算机科学教授。20世纪80年代末，雅布兰诺维奇做了一些光子晶体的基础研究，推进了一种理念，就是一定的设计能够以非常可控的方式发光，可用于LED。

雅布兰诺维奇说，很难预测这项工作会有什么结果，以及什么时候会有，因为以前没有人做过实用的三维光子晶体。“一些最引人注目的应用，二维光子晶体已经实现了，”他说。如果制作三维光子晶体也同样容易，就像制作已经形成产品的二维光子晶体一样，那么，它们将始终是首选，雅布兰诺维奇说，布朗说，这项技术可能还有几年才能商品化。

作者: ccn123 时间: 2011-11-1 20:02

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)