Cristale Fotonice

UNIVERSITATEA UNIVERSITATEA POLITEHNICA POLITE HNICA , TIMISOARA

PROIECT NANOMATERIAL

PROFESOR COORDONATOR: C. Craciunescu

STUDENT:  Nume si prenume: Martinescu Cosmin

TIMISOARA DECEMBIE !"#

CRISTALE $OTONICE

TEMA PROIECTULUI:

PROFESOR COORDONATOR: C. Craciunescu

STUDENT:  Nume si prenume: Martinescu Cosmin

1

CRISTALE $OTONICE

CUPRINS

INTRODUCERE....................................................................................................... 3 CRISTALE FOTONICE............................................................................................. 4 Cristale fotonice – consideraţii generale................................................................ 4 Proiectarea unui mediu periodic............................................................................ 6

METODE DE OBŢINERE ŞI CARACTERIZARE OPTICĂ A CRISTALELOR FOTONICE ....9  Tehnici de litograe – consideraţii generale........................................................... 9  Tehnica de litograere prin fascicul electronic.....................................................10 etode de caracteri!are optic" a cristalelor fotonice.......................................... 11

REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA OPTICĂ A CAVITĂŢILOR CRISTALELOR FOTONICE............................................................................................................ 1# $eali!area prin metoda %&' de ca(it"ţi )n cristale fotonice la o tensiune de 10*( ............................................................................................................................ 13 $eali!area prin metoda %&' de ca(it"ţi )n cristale fotonice la o tensiune de accelerare de 30 +,............................................................................................. 13 Propriet"ţile de fotoluminiscenţ" ale unor compu-i organici depu-i pe cristalele fotonice................................................................................................................14

BIBLIOGRAFIE...................................................................................................... 1

#

CRISTALE $OTONICE

INTRODUCERE Lumina influenţează vieţile noasre !e zi "u zi #n !iverse mo!uri$ %reu !e ima%ina "u "&eva !e"enii #n urmă' Lumina va (u"a un rol semnifi"aiv #n viior$ u)ur&n! "alea spre  pro%rese #n "omuni"aţiile prin fi*ră opi"ă$ #n noi mo!aliăţi !e a pra"i"a me!i"ina$  *ioe+nolo%ia$ !ee"ţia opi"ă e"' Fooni"a a !eveni un !omeniu imporan a& penru )iinţă "& )i penru e+nolo%ie$"uprinzăn! fenomenele fizi"e )i e+nolo%iile aso"iae %enerării$ ransmisiei$ manipulării$ !ee"ării )i uilizării luminii' Daoriă !ezvolării "oninue a unor !omenii "um ar fi nanoe+nolo%ia$ )iinţa maerialelor$ opi"a$ e"'$ pre"um )i !aoriă !ezvolării rapi!e a e+ni"ilor !e fa*ri"are la s"ară mi"ro,nano$ fooni"a a "unos"u o !ezvolare o mai rapi!ă' -./ 0nr1o !efiniţie %enerală$ "risalele fooni"e "uprin! sru"urile "are au "onsana !iele"ri"ă  perio!i"ă #n una$ !ouă sau rei !imensiuni$ )i prezină *an!ă inerzisă' A"easă !eose*ire 2%eomeri"ă3$ "om*inaă "u o varieae !e maeriale folosie impli"ă un !omeniu lar% !e meo!e !e fa*ri"are )i pro"e!uri$ "are au en!inţa !e a fi spe"ifi"e penru fie"are maerial #n  pare$ !epinz&n! #nsă )i !e naura sru"urii "e urmează a fi fa*ri"aă' Crisalele fooni"e po manipula lumina$menţin&n! ou)i !imensiunea mi"ă ne"esară realizării !e !ispoziive !e !imensiuni re!use'-4/ 0n pari"ular$ "risalele fooni"e$ !upă !e"enii !e "er"eare )i1au %ăsi !in "e #n "e mai mulă apli"a*iliae #n %+i!uri !e un!ă$ filre !e #nală rezoluţie spe"rală$ pre"um )i #n ele"omuni"aţiile *azae pe fi*ra opi"ă' 5ai nou$ "risalele fooni"e sun folosie #n laseri$ !io!e emiţăoare !e lumină sau #n filme su*ţiri av&n! sru"uri perio!i"e "a sra !e proe"ţie  pe "ar!urile !e "re!i' Cer"eăorii speră "a vor realiza !io!e )i ranzisori !in a"es maerial$ !es"+iz&n! asfel "alea #n realizarea !e "al"ulaoare "omple opi"e'-6/

3

CRISTALE $OTONICE

O*ie"ivul proie"ului ese a"ela !e a su!ia proprieăţile opi"e ale unor maeriale penru apli"aţii #n fooni"ă' Prin"ipalele 7maeriale3 su!iae sun "risalele fooni"e )i maerialele or%ani"e$ s"opul proie"ului fiin! !e a analiza unele apli"aţii ale "risalelor fooni"e$ !e a ve!ea #n "e măsură maerialele or%ani"e po influenţa performanţele "risalelor fooni"e$ )i !e a su!ia noi su*sanţe or%ani"e'

CRISTALE FOTONICE

Cristale fotonice – consideraţii generale Un "risal ese !efini "a o aran(are perio!i"ă !e aomi sau mole"ule' 5o!elul !upă "are aomii )i mole"ulele se repeă #n spaţiu "onsiuie reţeaua "risalului' Reţeaua "risalină  poae 2*lo"a3 propa%area anumior un!e' E8isă *enzi !e ener%ie inerzise #n sru"ura !e  *enzi a "risalului$ "eea "e #nseamnă "ă ele"ronii "u anumie ener%ii nu se po propa%a #n "risal'  Analo%ul opi" ese "risalul fooni"$ #n "are aomii sau mole"ulele sun #nlo"uiţi prin me!ii ma"ros"opi"e av&n! "onsane !iele"ri"e !iferie$ iar poenţialul perio!i" ese #nlo"ui !e o fun"ţie !iele"ri"ă perio!i"ă 9mai e8a" avem un in!i"e !e refra"ţie perio!i"' Da"ă "onsanele !iele"ri"e ale maerialelor sun sufi"ien !e !iferie )i !a"ă a*sor*ţia luminii !e "ăre maeriale ese minimă$ aun"i inerferenţa #nre un!ele ransmise )i refle"ae la !iverse inerfeţe %enerează *enzi permise )i inerzise penru fooni$ analoa%e *enzilor ener%ei"e  penru ele"roni' Penru formarea *enzilor fooni"e ese ne"esar "a perio!i"iaea spaţială a "risalului fooni" să fie !e or!inul lun%imii !e un!ă a luminii ' ;an!a inerzisă fooni"ă !efine)e o serie !e fre"venţe penru "are lumina nu poae să se propa%e #n "risal'-
CRISTALE $OTONICE

O "onse"inţă a sru"urii *enzii !e ener%ie inerzisă fooni"ă ese posi*iliaea apropierii !e zero a viezei !e %rup$ #n"einin! asfel lumina #n "risalul fooni" '-=/  Se po proie"a )i fa*ri"a "risale fooni"e prezen&n! !efe"e pun"iforme sau liniare )i "u  *enzi inerzise fooni"e penru anumie inervale !e fre"venţe' De e8emplu$ %+i!urile !e un!ă meali"e )i "aviăţile sun folosie penru "onrolul propa%ării mi"roun!elor$ !iri(&n! )i respe"ive "onfin&n! "&mpul ele"roma%nei"' 0n a"ela)i mo!$ a"ela)i ip !e !efe"e realizae #n sru"ure perio!i"e ne oferă posi*iliaea "onrolului un!elor ele"roma%nei"e !in !omeniul infraro)u sau vizi*il' Se po fa*ri"a "risale fooni"e !e o anumiă %eomerie )i "u !imensiuni !e or!inal milimerilor penru "onrolul mi"roun!elor$ sau !e or!inul mi"ronilor  penru "onrolul ra!iaţiei !in infraro)u'->/  Crisalele fooni"e sun #mpărţie !upă perio!i"iaea sraurilor perio!i"e !in "are sun al"ăuie #n: uni1$ *i1 )i ri1!imensionale $ a)a "um se o*servă #n Fi%ura .' Cel mai simplu "risal fooni" ese "risalul uni!imensional 9.1D $ forma !in !ouă maeriale "are alernează  perio!i" pe o !ire"ţie' 0n mo! similar$ #nr1un "risal fooni" *i!imensional "onsanele !iele"ri"e alernează pe !ouă !ire"ţii$ #n imp "e "risalul fooni" ri1!imensional oferă un "onrol "omple al ra!iaţiei ele"roma%nei"e$ !aoriă perio!i"iăţii pe oae "ele rei !ire"ţii'

$i%ura ". Cristale fotonice uni-, bi- , tri- dimensionale

Penru a #nţele%e mo!ul !e formare a *enzilor inerzise #n "risalele fooni"e$ ne folosim !e e"uaţiile lui 5a8?ell s"rise penru un!ele ele"roma%nei"e "are se propa%ă #nr1un me!iu fără "urenţi )i sar"ini li*ere' ∇ × H 

9

∇× E

9 r , t  @

∇× D

9 r , t  @

∇×B

9 r , t  @

r , t 

⃗

@

⃗

∂  D ( r , t ) ∂t  ⃗

⃗

∂ ⃗ B ( r , t ) ∂t  ⃗

⃗

⃗



CRISTALE $OTONICE

C&mpurile ele"ri" )i ma%nei"$  A ș i H  $ sun le%ae !e in!u"ţia ele"ri"ă  D  )i !e in!u"ţiama%nei"ă B  prin !ouă relaţii "e e8primă răspunsul maerialului la e8"iarea ele"roma%nei"ă: ⃗B = μ H și D =ε⃗ E  '-B/ ⃗

⃗

Proiectarea unui mediu eriodic S"opul simulării prezenae #n a"es su*"apiol ese !e a !emonsra "apa"iaea "risalelor fooni"e anizorope !e a se "ompora "a mo!ulaori "onrola*ili penru fas"i"ulele !e lumină' Sru"urile opi"e perio!i"e$ "unos"ue su* !enumirea !e "risale fooni"e #n "azul #n "are se formează o *an!ă inerzisă$ prezină numeroase apli"aţii #n "ir"uiele fooni"e )i #n !ispoziivele *azae pe mo!ifi"area lăţimii )i a poziţiei *enzii inerzise prin ale%erea poriviă a !imensiunilor sraurilor perio!i"e pre"um )i a valorilor "onsanelor !iele"ri"e ale a"esora -/' Cu oae "ă s1au fă"u eforuri !eose*ie #n su!iul eorei" )i e8perimenal al "risalelor fooni"e$ efe"ul anizoropiei asupra răspunsului opi" al a"esora nu ese #n"ă e8plora #n!ea(uns !e mul' Anizoropia opi"ă se #nălne)e #n spe"ial la maerialele or%ani"e$ fiin! fie naivă fie in!usă !e "&mpuri ele"ri"e' Un e8emplu ipi" !e maeriale or%ani"e opi" anizorope sun "risalele li"+i!e -/' ;an!a inerzisă fooni"ă !efine)e un se !e fre"venţe penru "are lumina nu se propa%ă #n "risal: a"or!a*iliaea *enzii inerzise prin "onrolul !imensiunii )i simeriei sru"urii fooni"e ese esenţială penru ransmierea informaţiei la !iverse lun%imi !e un!ă' De a"eea$ proie"area unui me!iu perio!i" "onsă #n aflarea poziţiilor *enzilor permise )i inerzise #n fun"ţie !e in!i"ii !e refra"ţie )i !e %rosimea sraurilor'

6

CRISTALE $OTONICE

$i%ura . Structura strat peste strat 

a n"i!enţă normală penru un!e ransversal ele"ri"e Prima pare a pro%ramului !e mo!elare prezena o "onsiue aflarea *ezilor !e ener%ie  permise )i inerzise #n fun"ţie !e %rosimile sraurilor$ !. )i !4' Prin mo!ifi"area a"esor %rosimi$re%iunea inerzisă #)i s"+im*ă poziţia )i lăţimea' Con!iţia !e *ază #n ale%erea maerialelor or%ani"e penru "onsru"ţia unei sru"uri perio!i"e a fos a"eea "a a"esea să  prezine valori !esul !e !iferie ale in!i"ilor !e refra"ţie' 0n prima pare se va lu"ra "u o sru"ură !e srauri perio!i"e #n "are in!i"ii !e refra"ţie vor fi e%ali "u .$B penru sraul !e 2or%ani" .3 )i .$< penru sraul !e 2or%ani" 43'Penru o %rosime !e sra !e 2or%ani" .3 !. @ .= nm )i penru o %rosime !e sra !e 2or%ani" 43 !4 @ . nm s1au o*ţinu *enzile permise )i inerzise ale sru"urii perio!i"e "u linie "oninuă' 5o!ifi"&n! %rosimile sraurilor$ o*servăm urmăoarele:  !a"ă lăsăm !isanţa !4 nes"+im*aă )i "re)em %rosimea !e sra !.@ 4 nm o*ţinem "ur*a "u linie pun"aăG  !a"ă lăsăm !isanţa !4 nes"+im*aă )i s"ă!em %rosimea !e sra !.@ . nm asfel #n"& să avem sraurile !e a"eea)i %rosime o*ţinem "ur*a !esenaă "u linie #nrerupăG  !a"ă mo!ifi"ăm %rosimea sraului 2or%ani" 43$ !4 @ .= nm )i lăsăm %rosimea sraului 3or%ani" .3$ !. @ . nm o*ţinem "ur*a reprezenaă #n fi%ură prin linie1pun"' -./ A !oua eapă a "onsa #n o*servarea mo!ului #n "are se "omporă refle"iviaea sru"urii  perio!i"e' Penru o sru"ura perio!i"ă "ara"erizaă !e o mari"e oala 5 "u elemene mi( $ i$(@ .$4$)i plasaa inre me!ii izorope$ numie 7in3 )i 7ou3$ "oefi"ienţii !e ransmisie aisru"urii po fi e8primaţi su* forma:

( m 11+ m 12 p out ) p ∈+( m 21 + m 22 p out ) ¿ ¿ 2 p ∈ ¿ t =¿ /

CRISTALE $OTONICE

 * 5e!iu perio!i" anizorop folosi "a mo!ulaor !e fas"i"ul Ple"ăm !e la ipoeza "ă avem un "risal fooni" uni!imensional av&n! o perioa!ă H "ompusă !in !ouă srauri nema%nei"e or%ani"e av&n! %rosimile !. )i !4$ respe"iv in!i"i !e refra"ţie n. )i n4'Se "onsi!eră primul sra "a fiin! unia8ial$ "u in!i"i !e refra"ţie or!inar no. @ .$= )i e8raor!inar ne. @ .$B$ valori ipi"e penru "risalele li"+i!e -.4/' O !epen!enţă a in!i"elui !e refra"ţie faţă !e un%+iul !e in"i!enţă ese posi*ilă !oar penru un!a e8raor!inară #nr1un me!iu izorop unia8ial' Asfel$ e8presia in!i"elui !e refra"ţie ese !aă !e relaţia: n 1=1 / √ cos ϑ 1 / n e 1 + sin ϑ 1 / n e 1 2

2

2

2

Un!e ϑ. ese un%+iul !inre ve"orul un!ei in"i!ene )i a8a opi"ă a primului sra' Cel !e1al !oilea sra !in "omponenţa "risalului fooni"$ ese "onsi!era izorop "u o valoare ain!i"elui !e refra"ţie e%ală "u n4 @ .$6=' 5o!ularea fas"i"ulului !e lumină se *azează pe !epen!enţa răspunsului opi"$ #n pari"ular a "oefi"ienţilor !e ransmisie$ !e un%+iul !e in"i!enă a ra!iaţiei' O inensifi"are a mo!ulIrii ar re*ui să ai*ă lo" aun"i "&n! fas"i"olul in"i!en "onsiuie un!a e8raor!inară #n maerialul unia8ial$ mai ales "ă #n a"es "az )i in!i"ele !e refra"ţie !epin!e !e un%+iul !e in"i!enţă'-../ " E8emple !e mo!ulare a formei fas"i"ului Am !emonsra "ă un "risal fooni" anizorop poae mo!ifi"a forma unui fas"i"ul in"i!en  puerni" !iver%en' E8isă posi*iliaea !e a apro8ima forma !isri*uţiei "&mpului prin ale%erea "orespunzăoare a "elor nouă paramerii !isponi*ili: J. $ numărul !e perioa!e N$ k0d1 $ k0d2 $ valorile in!i"ilor !e refra"ţie or!inar )i e8raor!inar a "elor !ouă srauri no.$4$ ne.$4$ )i !iver%enţa fas"i"ului$ a'Primul parameru ese !eose*i !e imporan penru mo!ularea !isri*uţiilor !e lumină asimeri"e'Daoriă fapului "ă numărul !e parameri ese mai mare 9"u !oi !e"& #n "azul "risalelor fooni"e izorope$ !isri*uţia !oriă a "&mpului se  poae pro!u"e "u o mai mare a"uraeţe' Cum paramerii kod1 )i k0d2 !epin! !e lun%imea !e un!I a ra!iaţiei$ rezulă "ă a"eea)i sru"ură poae pro!u"e !iverse răspunsuri #n fun"ţie !e valorile lun%imilor !e un!ăG ou)i o anumiă !isri*uţie a "&mpului se o*ţine penru o anumiă "om*inaţie a valorilor k d . )i k0d2 penru o anumiă lun%ime !e un!ă a ra!iaţiei in"i!ene pe "risalul fooni"$ fa*ri"a !inr1un număr presa*ili !e srauri' Depen!enţa mo!ulării fas"i"ulului !e lun%imea !e un!ă nu re*uie ne%li(aă fiin! uilă penru mo!ularea fas"i"ulelor pulsae sau "u lun%imi !e un!ă muliple -.<1.>/' Penru a !emonsra posi*iliaea "onrolului formei inensiăţii fas"i"ulului la ie)irea !in pro*ă$ am %ăsi paramerii "are repro!u" !ouă forme !orie 9s"alae "u s )i normalizae "u % ale inensiăţii la ie)ire: a fas"i"ulul Kauss  Mermie !e or!inul $ )i * un fas"i"ul "u o !erivaă !is"oninuă #n ori%ine !ae'-.4/



CRISTALE $OTONICE

METODE DE OBŢINERE ŞI CARACTERIZARE OPTICĂ A CRISTALELOR FOTONICE Te!nici de litogra"e – consideraţii generale Con"epul !e foolio%rafie apare penru prima !aă #n lieraura !e spe"ialiae #n se"olul al .B1lea$ fiin! uiliza #n apli"aţii !e imprimare "u "erneală' Cu oae "ă e+ni"ile )i apli"aţiile lio%rafiei sau !iversifi"a o!aă "u re"erea anilor$ !efiniţia a"eseia a rămas a"eea)i: 2lio%rafia "onsiuie pro"esul !e ransfer al unei sru"uri !inr1un me!iu #n alul3 ' 0n fun"ţie !e rezulaul !ori$lio%rafierea se realizează prin e+ni"i !iferie "e po fi "lasifi"ae #n fun"ţie !e e"+ipamen$ naură )i a%en$ "are in!u" pro"esul$ fenomenul$ inera"ţia sau rea"ţia "are are lo"' Una !inre e+ni"ile "ele mai folosie$ fă"&n! pare !in a*or!area 2!e sus #n (os3 ese lio%rafia "u fas"i"ul ele"roni" 9E;L$ re%ăsin!u1se #n lieraura !e spe"ialiae #n"ă !e la sf&r)iul anilor >'Cel mai *un ar%umen penru folosirea a"eseia versus foolio%rafie ese a"ela "ă fenomenul !e !ifra"ţie ese mul mai puţin semnifi"aiv #n "azul fas"i"ulului ele"roni"$ un!e lun%imea !e un!ă folosiă ese !aă !e relaţia lui !e ;ro%lie -.6/:  h h  λ electron = =  p m 0 × v unde  2 h constanta lui Plan+ 5 66#6 7 10234 8s: 2 p impulsul 5 m07 ( : 2 m0 masa electronului 5 911 7 10231 +g: 2 ( (ite!a

Prin"ipalele ari*ue ale lio%rafiei "u fas"i"ul ele"roni" sun:  rezoluţie #nalăG  ese o e+ni"ă fle8i*ilă "are poae fi folosiă #n realizarea unor muliu!ini !e sru"uri pe o %amă lar%ă !e maerialeG  ese o e+ni"ă #n"eaă "omparaiv "u foolio%rafiaG  ese o e+ni"ă s"umpă )i "ompli"aă  e"+ipamenele pu&n! a(un%e la un preţ !e "umpărare !e mai mule milioane !e !olari$ pre"um )i !aoriă ne"esiăţii #nreţinerii permanene'

9

CRISTALE $OTONICE

Te!nica de litogra"ere rin fascicul electronic Aparaura !e lio%rafiere "u fas"i"ule !e ele"roni reprezina un sisem e8perimenal "omple8 uiliza penru a"iviai !e nanosru"urare %eomeri"a' Te+ni"a !e nanosru"urare a suprafeei unui maerial prin lio%rafiere "onsa in s"anarea "u un fas"i"ul !e ele"roni fo"aliza a suprafeei "are urmeaza sa fie sru"uraa %eomeri"$ "are a fos a"operia in  preala*il "u un sra proe"or !inr1un maerial polimeri" sensi*il la a"iunea fas"i"ulului !e ele"roni' -4/ E;L ese un sisem "omple8 "apa*il să realizeze sru"uri #n număr mi"$ !e #nală rezoluţie$av&n! !imensiuni e8a"e$ )i o poziţionare *ine !eerminaă pe su*sra' E;L ese efi"ien penru apli"aţii #n !omeniul semi"on!u"orilor$ #n in!usria C )i nanoe+nolo%ie$ o*ţinerea !e !isposiive ele"roni"e$ "omponene opi"e$ pre"um )i o serie !e sru"uri folosie #n siinţa maerialelor$ ener%ie$ me!i"ină' E;L ese folosi #n prin"ipal penru fa*ri"area !e mă)i$ realizarea unui număr mi" !e sru"uri spe"ifi"e$ !ezvolarea apli"aţiilor siinţifi"e fun!amenale$ )i proopin%' Te+ni"a E;L are la *ază prin"ipiul mi"ros"opiei "u s"anare ele"roni"ă$ fiin! un pro"es !e s"riere !ire"ă "e "onsă #n ira!ierea "u un fas"i"ul #n%us !e ele"roni 9folosi )i penru a"+iziţia !e ima%ini !e #nală "aliae a unei suprafeţe a"operie "u un sra !e rezis$ a"esa suferin! mo!ifi"ări fizi"e )i "+imi"e' Ener%ia !epoziaă #n impul e8punerii rezisului "rează o ima%ine laenă "are ulerior ese maerializaă #n impul !evelopării "+imi"e'-.
10

CRISTALE $OTONICE

$i%ura &. Microscop electronic de baleiaj JEOL JSM !"0# ec$ipat cu modul de lito%rafiere cu fascicul de electroni &E'OS &( )2*

Metode de caracteri#are otic$ a cristalelor fotonice Fooluminis"enţa1Spe"ros"opia !e luminis"enţă ese e+ni"a "are măsoară lumina emisă !e o pro*ă'Luminis"enţa "onsiue emisia luminii #n vizi*il )i ulraviole "a urmare a !eze8"iării ele"roni"e a unei mole"ule 9ele"ronii !e pe sările e8"iae se #nor" pe sarea fun!amenală$ aun"i "&n! e8"iarea pro*ei nu se realizează pe "ale ermi"ă -/' 0n fun"ţie !e me"anismul !e e8"iare al ele"ronilor$ avem: a "+emoluminis"enţă  sarea e8"iaă ese %eneraă !e o rea"ţie "+imi"ă$ * fooluminis"enţă  ranziţia !e la sarea fun!amenală la "ea e8"iaă ese rezulaul a*sor*ţiei ra!iaţiei ele"roma%nei"e$ " ele"roluminis"enţa  lumina ese emisă !e un "orp prin "are re"e "uren ele"ri"$ !"ao!oluminis"enţă  rezulaul *om*ar!amenului ele"roni" al pro*ei$ e"'-.>/ n fun"ţie !e impul !e viaţă al sării e8"iae$ mai e8a" !e impul #n "are ele"ronul să pe nivelul ener%ei" superior$ fooluminis"enţa se #mpare #n:  fluores"enţă @ emisia luminii are lo" #nr1un imp !e nanose"un!e sau milise"un!e !upă "e  pro"esul !e ira!iere a avu lo"$ )i se emi fooni "u lun%imi !e un!ă mai mari "a urmare a re"erii ele"ronului !in prima sare e8"iaă #n sarea fun!amenală'  fosfores"enţă @ emisia luminii are lo" !upă un imp mai mare !e"& #n "azul fluores"enţei$ !e apro8imaiv 10− s p&nă la "&eva se"un!e$ #n "are un ele"ron se rela8ează$ re"ăn! !e  pe prima sare !e riple 9T. #n sarea fun!amenală -.B/'  fluores"enţă #n&rziaă @ "onsă #n formarea sării !e riple )i re"onversia #n sarea ori%inal !e sin%le #naine "a emisia !e lumină să ai*e lo"' Timpul !e viaţă "orespunzăor a"esui 4

11

CRISTALE $OTONICE

 pro"es ese inerme!iar$ mai lun% !e"& #n "azul fluores"enţei$ !ar mai s"ur !e"& #n "azul fosfores"enţei -./' Fooluminis"enţa ese o e+ni"ă opi"ă "are permie "ara"erizarea maerialelor semi"on!u"oare )i izolaoare' Prin"ipiul !e fun"ţionare ese simplu: se e8"iă ele"ronii su*sanţei su!iae "u a(uorul unei ra!iaţii ele"roma%nei"e 9#n %eneral mono"romai"ă )i apoi se !ee"ează emisia sponană a luminii !e "ăre maerial' Fooluminis"enţa ese o meo!ă simplă$ versailă$ ne!isru"ivă )i !epen!enă !e naura e8"iaţiei opi"e' 5ai mul$ fooluminis"ena !epin!e puerni" !e emperaură$ măsurăorile !e #nală rezoluţie fă"&n!u1se la emperaura +eliului li"+i!$ iar "ele uzuale la emperaura "amerei' -./ Polarizarea "onsiue un al %ra! !e li*erae #n măsurăorile opi"e' 0n e8perimenele !e fooluminis"enţă$ polarizarea emisiei !epin!e !e orienarea !ipolilor os"ilaorilor' De o*ie"ei$ oae orienările sun e%al pro*a*ile #n pro"esul !e re"om*inare a unei pere"+i ele"ron1%ol$ asfel #n"& fooluminis"enţa nu ese polarizaă' Tou)i$ o variaţie a inensiăţii fooluminis"enţei la mo!ifi"area orienării "&mpului ele"ri" ese !e mule ori o*servaă' Anizoropia polarizării #n măsurăorile !e fooluminis"enţă poae fi ari*uiă le%ăurilor asimeri"e$ mo!ulării "ompoziţiei amese"ului$ sau !eformărilor' Anizoropia polarizării a fos ari*uiă le%ăurii asimeri"e lo"ale !e la inerfaţă -4/'

REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA OPTICĂ A CAVITĂŢILOR CRISTALELOR FOTONICE

Daoriă !ifi"ulăţilor #n&lnie #n fa*ri"area "risalele fooni"e ri!imensionale$ sru"urile *i!imensionale sun "ele mai inens su!iae' 0n a"es "apiol se !ealiază mo!ul !e realizare a "aviăţilor #n "risale fooni"e *i!imensionale fa*ri"ae #n mem*rană !e nirură !e sili"iu' Au fos realizae "aviăţi #n "risale fooni"e folosin! e+ni"a !e lio%rafiere prin fas"i"ol ele"roni" prezenaă anerior' 0n pro"esul !e fa*ri"are al "risalelor fooni"e$ #n pari"ular a *lo"urilor "risaline fooni"e 9p+ooni" "rsal sla*s$ oae eapele au o imporanţă vială' Su""esul apli"ării lio%rafiei "u fas"i"ol ele"roni" #n realizarea !e "risale fooni"e ese !e mule ori influenţa !e a*iliaea a"esei meo!e !e a realiza sru"uri su*mi"roni"e folosin! un rezis a!e"va:  poziiv,ne%aiv sau or%ani",anor%ani"'De)i$ mem*ranele !e nirură !e sili"iu sun "ara"erizae prinr1un in!i"e !e refra"ţie mai mi" 94 !e"& "ele !in Si 96$=$ a"esea  prezină avana(ul "ă po fi folosie #n fa*ri"area !e "omponen opi"e "are po lu"ra la

1#

CRISTALE $OTONICE

lun%imi !e un!ă !in !omeniul vizi*il$ opime penru apli"aţii le%ae !e$*iosenzori$ !ar )i #n penru apli"aţii #n !omeniul *io"+imiei sau *iome!i"inei -4./'

Reali#area rin metoda E%L de ca&it$ţi 'n cristale fotonice la o tensiune de ()*& Pro"esul !e fa*ri"are a unei "aviăţi #nr1un "risal fooni" "onsă !in rei eape  prin"ipale: .!epunerea e1rezisului pe mem*rana !e nirură !e sili"iu$ 4 s"rierea sru"urii "u a(uorul fas"i"olului ele"roni"$ )i 6 ransferul sru"urii !in e1rezis #n mem*rana !e Si6N<' Depunerea e1rezisului pe mem*rana !e Si6N<:E1rezisul folosi a fos poli1 meilmea"rila1ul 9P55A$ "ara"eriza !e fapul "ă$ la !eveloparea #nr1un solven a!e"va$ re%iunile e8puse po fi #n!epărae' O !oză mo!eraă !e ira!iere ele"roni"ă a P55A1ului !u"e la !e%ra!area a"esuia$ respe"iv formarea !e fra%mene "u masă mole"ulară mi"ă$ asfel #n"& #n eapa !e !evelopare a"ese fra%mene sun #n!epărae "u a(uorul unui !evelopan forma !in meil1izo*uil "eonă 95;Q )i propanol$ "e nu afe"ează rezisul nee8pus -44/' Pa)ii urmaţi #n !epunerea rezisului poziiv sun: a #n"ălzirea pro*elor la o emperaură !e . oC imp !e . minu$ penru o mai *ună a!erenţă a e1rezisului la su*sra$ * !epunerea prin spinare la 6 RP5 9roaţii pe minu$ imp !e . minu$ a soluţiei !e P55A$ #n rapor !e .:. 95;Q:P55A$ " us"area sraului !e rezis forma la . oC$ imp !e . minue' Sraul asfel forma are o %rosime !e 46 nm$ măsuraă "omparaiv "u a(uorul unui profilomeru )i a unui elipsomeru$ valorile fiin! apro8imaiv e%ale' Transferul sru"urii !in e1rezis #n mem*rana !e Si6N<:Con"epul !e *ază al lio%rafiei "onsă #n ransferul unei sru"uri !in su*sraul sensi*il la fas"i"ulul ele"roni" 9e1rezis$ #n su*sraul,sraul !ori' Pro"esul !e ransfer poae fi realiza prin "oro!are us"aă$ ume!ă sau prin e+ni"a 7lif1off3$ fiin! sr&ns le%a !e sru"ura finală pe "are !orim să o realizăm'Transferul #n a"es "az s1a realiza prin "oro!are us"aă #n ri1fluoromean 9CMF6$ !upă "e #n preala*il pro*a a fos inro!usă #nr1un !evelopan afla la o emperaură !e apro8imaiv 46 oC penru apro8imaiv 6 se"un!e$ )i respe"iv #n al"ool izopropili" penru ale 6 !e se"un!e$ #n s"opul opririi pro"esului !e !evelopare' Pro*ele au fos ţinue #n CMF6 imp !e .>$ . )i 4 !e minue$ apoi "urăţae #n plasmă penru "ir"a .  4= !e minue penru #n!epărarea oală a sraului !e P55A'-46/

13

CRISTALE $OTONICE

Reali#area rin metoda E%L de ca&it$ţi 'n cristale fotonice la o tensiune de accelerare de +) ,Pro"e!eul !e fa*ri"are al "aviăţilor !in "risalele fooni"e prin e+ni"a !e lio%rafie "u fas"i"ule ele"roni" folosin! o ensiune !e a""elerare !e 6  a fos i!eni" "u "el uiliza  penru sru"urile realizae la o ensiune !e a""elerare !e . ' 5i"ile !iferenţe au fos le%ae !e %rosimea sraului !e P55A$ "are #n a"es "az a fos !e . nm$ )i !e valoarea !ozei$ "are a fos !e $B C,m4$ "u un fa"or !e !oză !e .$6'La a"easă ensiune !e a""elerare au fos realizae "risale fooni"e !e formă +e8a%onal prezen&n! o !eplasare a %ăurilor !in ve"inăaea "aviăţii opi"e !e ip L6 1 6 %ăuri lipsă #n "enral "risalului fooni"' Asfel$ prin măsurăori !e spe"ros"opie #n "&mp #n!ep&ra$ s1a urmări "al"ulul fa"orului !e "aliae )i !a"ă valoarea a"esuia ese influenţaă !e o !eplasare a %olurilor !in ve"inăaea "aviăţii' 5ona(ul e8perimenal folosi a fos a"ela)i "a )i #n su*"apiolul 6'.$ #n Fi%ura 6'4'. fiin!  prezenaă o ima%ine mai su%esivă a mo!ului "um se realizează e8"iarea "aviăţii )i "ole"area emisiei la un un%+i !e  %ra!e'-4
Proriet$ţile de fotoluminiscenţ$ ale unor comu.i organici deu.i e cristalele fotonice S"opul prin"ipal al măsurăorilor !e fooluminis"enţă #n "&mp #n!epăra a sraurilor su*ţiri !e polimer ese !e a reu)i să se %ăseas"ă "om*inaţia opimă su*sanţă,mari"e$ asfel #n"& să se poaă o*ţine spe"rul unei 2mole"ule3 in!ivi!uale$ "e ulerior poae fi ransferaă #n nano"aviae'Su!ierea polimerilor  "on(u%aţi "u a(uorul spe"ros"opiei !e 7mole"ule in!ivi!uale3 97sin%le mole"ule spe"ros"op3 ese uilă !in "el puţin !ouă moive: a !in ineres pur )iinţifi"$ penru a o*serva "e se #n&mplă "u lanţurile polimeri"e aun"i "&n! sun ira!iae "u un fas"i"ul !e lumină$ )i * !inr1un ineres pra"i"$ !e a analiza "e pro"ese au lo" #n a"e)i polimeri )i "um po fi "onrolae )i folosie -4=/' 0n inerprearea !aelor o*ţinue e8perimenal #n ma(oriaea "azurilor$ penru a puea !is"ua !e pro"esele mole"ulare "are au lo" #nr1o pro*ă ne referim la mole"ule in!ivi!uale' Din  pă"ae$ !e o*i"ei ma(oriaea e8perimenelor impli"ă un număr mare !e mole"ule$ !enumie ansam*luri$ )i "are sun su!iae #nr1un inerval mare !e imp' 0n prezen$ "ea mai pra"i"ă meo!ă !e a %ăsi )i !e a su!ia o mole"ulă in!ivi!uală prin mi(loa"e opi"e "onsă #n !ee"area fluores"enţei in!use !e "ăre un fas"i"ol laser #nr1o pro*ă mi"ă !e volum$ #n "are "el puţin o mole"ulă poae fi e8"iaă !e ra!iaţia in"i!enă' Daoriă e+nolo%iilor "are au fă"u posi*ilă realizarea !e !ispoziive la s"ară nanomeri"ă$ meo!a s1a a!apa la folosirea !e srauri su*ţiri #n lo"ul pro*elor !e volum re!us' 0n a"es "az$ re*uie să ne asi%urăm "ă

14

CRISTALE $OTONICE

fas"i"olul in"i!en "a!e pe o sin%ură mole"ulă )i nu pe un a%re%a sau ansam*lu mole"ular -4>/' Din pun" !e ve!ere "ronolo%i"$ anul . ese anul #n "are se reu)ese penru prima !aă !ee"area unei mole"ule in!ivi!uale !inr1o pro*ă soli!ă la emperauri (oase !e "ăre 5oerner )i Qo!or' 0n anul .6$ ;ezi% )i C+i"+eser fa" pu*li"ă prima ima%ine !e mole"ule in!ivi!uale realizaă la emperaura "amerei "u a(uorul mi"ros"opului opi" "u s"anare #n "&mp apropia' Ulerior$ s1a !es"operi "ă o meo!ă mul mai u)oară penru !ee"area mole"ulelor in!ivi!uale o "onsiue mi"ros"opia "onfo"ală' Polimerii or%ani"i "u "are s1a lu"ra$ folosiţi #n %eneral #n fa*ri"area !e !io!e emiţăoare !e lumină$ ranzisori or%ani"i "u efe" !e "&mp$ sau "elule solare$ au fos: PFR 9"opolmer polifluoreni"$ P6MT 9poli961 +e8iliofen$ )i Lumo%en Re! 9perilen!iimi!ă$ a"esa !in urmă fiin! un "oloran uiliza #n in!usria maerialelor plasi"e' Tou)i$ #n a"es rezuma am ales să prezin !e"& influenţa PFR1ului'-4B/

1

CRISTALE $OTONICE

BIBLIOGRAFIE P+ooni"s an! Opi"al Communi"aion 9Course Num*er 646=4 Sprin% 4= nro!u"ion P+ooni"s nsru"or: Dr' Diemar QnipG '( C' PaVue$ E' Quma"+eva$ 7Nanosru"ure! polmers for p+ooni"s3$ 5aerials To!a$ ol'..$ No'<$ pa%'<1=>$ April 4G '&( ;' ;erWiW$ 2nro!u"ion o Ele"ron ;eam Lio%rap+3$ XoYef Zefan nsiue$ Xamova 6$. L(u*l(ana$ SloveniaG ni"s3$ ol' =$ No'4$ pa%' 4=14>4$ P+si"al Revie? Leers $ 5a .BG '#( Seven K' Xo+nson$ 2P+ooni" Crsals: From T+eor o Pra"i"e3  P+!' T+esis$ 5assa"+uses nsiue of Te"+nolo%$ Xune 4.G ')( E' [a*lonovi"+$ T' X' Kmier$ R' D' 5ea!e$ A' 5' Rappe$ Q' D' ;rommer$ an! X' D' Xoannopoulos$ 7Donor an! A""epor 5o!es in P+ooni" ;an! Sru"ure3$ ol' >B$  No'4<$ pa%' 66.1666$ P+si"al Revie? Leers$ 5a ..G '*( 5' Noomi$ Q' [ama!a$ A' S+ina$ X' Taa+as+i$ C' Taa+as+i an! ' [oo+ama$ '"(

16

CRISTALE $OTONICE

7E8remel Lar%e Kroup1elo"i Dispersion of Line1Defe" \ave%ui!es in P+ooni" Crsal Sla*s3$ol' B$ No' 4=$ P+si"al Revie? Leres$ .B De"em*er 4.G '+( [' A' lasov$ 5' O];ole$ M' F' Mamann an! S' X' 5"Na*$ 2A"ive "onrol of slo? li%+ on a "+ip ?i+ p+ooni" "rsal ?ave%ui!es3$ Naure <6: >=>G 4=G  '( Q' Sao!a$ Opi"al Properies of P+ooni" Crsals$ Sprin%er$ ;erlin$ 4.G '-( L' i"ari 9E!'$ Opi"al Appli"aions of LiVui! Crsals$ OP Pu*l'$ ;risol$ 46G  '"!( S'K' Xo+nson )i X' D' Xannopoulos: nro!u"ion o P+ooni" Crisals: ;lo"+]s T+eorem$;an! Dia%rams$ an! Kaps 9;u No !efe"s$ 5T$ 6r! Fe*ruar 46G '""( 5' ;orn$ E' \olf$ Prin"iples of Opi"s$ Per%amon Press$ O8for!$ <+ e!iion$ .BG '"( A'Q' Sin%+$ R' 5ano+ar$ X'P' S+ula$ an! A'5' ;ira!ar$ 7Refra"ive in!i"es$ or!er   parameer an! opi"al ransmian"e su!ies of a nemai" liVui! "rsal mi8ure3$ A"a P+si"a Poloni"a A$ vol' ..$ no' <$ pp' <=1<6$ 4>G '"&( X' K' Koo!*erle$ X' T' Masin%s$ an! M'' Smi+$ 7 Performan"e of +e Rai+ .= ele"ron *eam lio%rap+ ssem3$ X' a"' S"i' Te"+nol' ; .9>$ 4. '"#( Davi! X' Kran: Ele"ron1;eam Lio%rap+: From Pas o Presen$ ECE B61.$ Deparamen of Ele"ri"al ^ Compuer En%ineerin%$ Universi of \aerloo$ 46G '")( 5ar A' 5"Cor! an! 5i"+ael X' Roos$ Ele"ron *eam lio%rap+$ in P' Rai1 C+ou!+ur$e!ior$ Man!*oo of 5i"rolio%ra+$ 5i"roma"+inin%$ an! 5i"rofa*ri"aion$ volume .$ "+aper 4'SPE Opi"al En%ineerin% Press$ Lon!on$ .B '"*( 5' Qir"+ner )i 5' Qa+l$ 2Rai+  Ele"ron ;eam Lio%rap+ for Resear"+3$ Pro"ee!in%s of +e  Naional Conferen"e on Nanoe"+nolo%$ NANO 4$ ACTA PM[SCA POLONCA A$ol' ..> G '"+( 5ole"ular Lumines"en"e Spe"ros"op  online !o"umen$ +p:,,???'monzirpal'ne,nsrumenal_4Analsis,Le"ures,Le"ures _44.1,L4'p!f 'G '"( P+ooluminis"en"e$ 1 Travau8 avan"es !e p+isiVue$ +p:,,???'p'p+siVue 'us+er*rooe'"a,e8perien"es`fi"+iers ,P+oolumines"en"e,Cours,P+oolumines"en"e'p!fG '"-( Fran"es"o ezza$ 7Propriea oi"+e !e nano"risalli "olloi!alli !i solfuro !i "a!mio7$ Tesi !i laurea$ Universia] !e%li su!i !i ;ari$ 44146G '!( D'Meiman$ 7P+ooluminis"en"e spe"ros"op3$ P+si"s U >$ A!v' La*.  P+si"s of \aves an! Opi"s  Summer 4<$ Nor+easern UniversiG '"( 5' ;ar+$ X' Qou*a$ X' Sin%l$ ;' Lb"+el an! O' ;enson$ 75o!ifi"aion of visi*le sponaneous emission ?i+ sili"on niri!e p+ooni" "rsal nano"aviies3$ ol' .=$  No'4=$ Opi"s E8press .B46.$ 4BG '( M' [u e al'$ 7Ssemai" "onsi!eraion for +e paernin% of p+ooni" "rsal !evi"es * ele"ron *eam li+o%rap+3$ Opi"s Communi"aions 4B.$ pa%' 4<.14$ C+inaG 1/

CRISTALE $OTONICE ')( X' K'

Koo!*erle$ X' T' Masin%s$ an! M'' Smi+$ 7Performan"e of +e Rai+ .= ele"ron *eam lio%rap+ ssem3$ X' a"' S"i' Te"+nol' ; .9>$ 4.'  '*( Ole% 5irzov$ 7Sin%le mole"ule spe"ros"op of 1"on(u%ae! polmers3   T+esis $Lun! Universi$ Deparamen of C+emi"al P+si"s$ 4G '+( P+' Tamara$ A' 5aali$ ;' Lounis )i 5' Orri$ 7Ten [ears of Sin%le 5ole"ule Spe"ros"op3$ X' P+s' C+em' A$ ol' .<$ No' .$ 4G '( +p:,,???'p+s1iasi'ro,PC15AN`RO'+md

1