Đang tải... (xem toàn văn)
Tinh thể vùng cấm quang tử (dịch từ tài liệu nước ngoài)
Giảng viên hướng dẫn: Huỳnh Nguyễn Bảo Phương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Dũng Phạm Văn Thức Lường Văn Lực Nguyễn Hữu Quang Nguyễn Công Vinh Hà Nội, 05 - 2014 Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Điện tử - Viễn thông Nội dung Vật lý học tinh thể vùng trống năng lượng quang tử Phân loại tinh thể quang tử Chế tạo Ứng dụng Các thiết bị PBG đầu tiên Những nghiên cứu hiện nay Xu hướng tương lai Kết luận 2 PBG là gì? Một tinh thể PGB là một cấu trúc có thể điều khiển chùm tia sáng theo cùng cách mà các chất bán dẫn điều khiển dòng điện. Một bán dẫn không thể hỗ trợ các điện tử mang năng lượng nằm trong năng lượng vùng trống điện tử. Tương tự, một tinh thể quang tử không thể hỗ trợ các photon nằm trong vùng trống năng lượng quang tử. Bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể, xử lý ánh sáng có thể được thực hiện. Điều này sẽ cách mạng hóa quang tử theo cách mà các transistor đã cách mang hóa điện tử. 3 PBG được chế tạo như thế nào Các tinh thể quang tử thường bao gồm các chất điện môi hoạt động như một chất cách điện và trong trường điện từ có thể dẫn điện với tổn hao thấp. Các lỗ trống (theo thứ tự các bước sóng liên quan) được khoan vào chất điện môi ở một cấu trúc giống như mạng tinh thể và được lặp đi lặp lại tương tự nhau và tại những khoảng thời gian đều đặn. Nếu được tạo chính xác, các tinh thể holey thu được sẽ có một vùng trống năng lượng quang tử, một dãy các tần số trong đó một bước sóng cụ thể của ánh sáng bị chặn. 4 PBG làm việc như thế nào? Trong các chất bán dẫn, các điện tử bị phân tán bởi các hàng nguyên tử trong mạng tinh thể, phân cách nhau một vài nanomet và do đó một vùng trống năng lượng điện tử được hình thành. Kết cấu vùng trống thu được này có thể được thay đổi bằng cách pha tạp. Trong một tinh thể quang tử, các lỗ tương tự như các nguyên tử trong chất bán dẫn. Ánh sáng đi vào chất liệu có nhiều lỗ sẽ phản xạ và khúc xạ tại môi trường giữa thủy tinh và không khí. Mô hình phức tạp của các chùm sáng chồng chéo sẽ dẫn đến sự hủy bỏ của một dải các bước sóng theo mọi hướng dẫn tới sự ngăn cản truyền qua của dải này vào trong tinh thể. Cấu trúc dải quang tử thu được có thể được sửa đổi bằng cách điền thêm một số lỗ trống hoặc tạo ra các điểm khuyết trong hệ thống tuần hoàn ngược hoàn toàn. 5 Vật lí học PBG 6 Vật lí học PBG Sự hình thành PBG có thể được coi ngư sự tương tác đồng vận giữa hai cơ chế cộng hưởng tán xạ khác nhau. Đầu tiên là sự cộng hưởng “vĩ mô” Bragg từ một mảng tuần hoàn của các tán xạ. Điều này dẫn đến các khoảng trống dừng điện từ khi sóng truyền theo hướng điều chế tuần hoàn khi một số nguyên m = 1, 2, 3,…, của nửa các bước sóng trùng với khoảng cách mạng tinh thể L của các vi cấu trúc điện môi. Thứ hai là một tán xạ cộng hưởng “vi mô” từ một tế bào đơn vị duy nhất của vật liệu. Trong hình minh họa, điều này (tán xạ ngược tối đa) xảy ra khi chính xác một phần tư bước sóng trùng với đường kính 2a của một giếng điện môi duy nhất chiết suất n. Sự hình thành PBG được tăng cường bằng cách chọn các thông số vật liệu a, L và n sao cho cả cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy ra tại cùng tần số. 7 Tại sao chế tạo PBG khó? Sự hình thành vùng trống năng lượng quang tử được tạo thuận lợi nếu các thông số hình học của tinh thể quang tử được chọn sao cho cả cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy ra chính xác ở cùng bước sóng. Cả hai cơ chế phân tán riêng lẻ phải khá mạnh. Trong thực tế, điều này có nghĩa là chất liệu đặc phía dưới phải có chỉ số khúc xạ tương phản rất cao (thường khoảng 3.0 hoặc cao hơn và để đạt được chính xác độ tương phản này, các lỗ trống được khoan vào trong vật chất này/the medium.) Chất liệu nên thể hiện sự hấp thụ không đáng kể hoặc sự mất đi của ánh sáng (suy giảm thấp hơn 1dB/cm.) Các điều kiện về hình học, độ mạnh phân tán và độ thuần khiết của chất liệu điện môi hạn chế nghiêm trọng các thiết lập của các chất điện môi thiết kế mà thế hiện một PBG. 8 Các chất liệu PBG Các chất liệu được dùng cho chế tạo PBG: Silicon Germanium (Ge) Gallium Arsenide (GaAs) Indium Phosphide 9 Phân loại PBG Các ví dụ đơn giản của tinh thể quang tử một, hai và ba chiều. Các màu sắc khác nhau thể hiện các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau. Đặc trưng xác định của một tinh thể quang tử là chu kỳ của chất điện môi theo một hoặc nhiều trục. 10