Egor Zhebin

Разбираем разработку ученых: зачем нужны фотонные кристаллы


Специальный проект

Изобретая будущее

Разбираем разработку ученых: зачем нужны фотонные кристаллы


Научно-технический прогресс движется благодаря силе света: знание того, как использовать фотоны для приема и передачи информации, смещает с пьедестала микроэлектронные технологии. В этой статье мы рассмотрим, как перспективы есть у новой разработки российских физиков. Основа статьи взята с платформы «Экспир» — портала, с помощью которого ученые могут найти финансирование для своих проектов, а также проверить разработку на оригинальность.


Кто занимается проектом:

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно с Институтом общей физики им. А.М. Прохорова РАН и Химическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова.

Что делают:

Создание инвертированных фотонных кристаллов с управляемой корреляцией магнитных, оптических и транспортных свойств для устройств оптоэлектроники и фотоники нового поколения.

Эксперты, оценивший разработку:

Андрей Грунин

Андрей Грунин, специалист в области нанофотоники и наноматериалов



История

В конце прошлого века стало ясно, что возможности электроники не безграничны, нельзя бесконечно наращивать производительность и сокращать энергоемкость полупроводниковой техники. Кажется, что бытовые и промышленные приборы и машины, работающие на микросхемах, день ото дня становятся все совершеннее, но потолок уже близко. Поэтому все большее число исследований нацелено на разработку альтернативных электронике областей (сверхпроводников, спинтроники и, особенно, фотоники). В основе световой техники лежат фотонные кристаллы (материалы, которые пропускают свет определенной длины волны). Подобно транзисторам, они выполняют функцию хранения и обработки сигнала, который может использоваться как в хранении данных, так и при построении обрабатывающих устройств в компьютерных вычислениях. Фотонный кристалл обеспечивает почти полное управление движением проходящего через него света. К примеру, в фотонных кристаллах тепловые потери значительно меньше, в то время как сложные кремнивые чипы необходимо постоянно охлаждать, потому что они выделяют слишком много тепла. Цель технологии фотонных кристаллов — создать универсальный материал для удовлетворения различных нужд микроэлектроники. В течение последних 10 лет ученые разных стран бьются над проблемой изготовления фотонных кристаллов высокого качества и с оптическими характеристиками.
Однако, даже используя самые современные и дорогостоящие методы, к настоящему моменту удалось изготовить лишь кристаллы с толщиной меньше 10 ячеек. Необходима разработка новых методов получения трехмерных фотонных кристаллов, которые должны быть технологичными, эффективными и не должны иметь ограничений на линейные размеры. Для решения этой задачи Роснаука в 2007 г. объявила открытый конкурс на финансирование проекта по теме «Создание инвертированных фотонных кристаллов с управляемой корреляцией магнитных, оптических и транспортных свойств для устройств оптоэлектроники и фотоники нового поколения». Ученые Санкт-Петербургского государственного университета выиграли его и приступили к реализации проекта совместно с Институтом общей физики им. А.М. Прохорова РАН и Химическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова.

Почему именно «инвертированные» фотонные кристаллы? При помощи некоторых несложных, с химической точки зрения, манипуляций можно поменять главный параметр фотонных кристаллов – диэлектрический контраст между материалом матрицы и материалом, заполняющим пустоты.

Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета создали методику получения пленок из подобных инвертированных фотонных кристаллов на основе различных материалов и научились определять их свойства. Применяемый ими химический метод оказался гораздо легче, чем технологии микроэлектроники, к тому же качество кристаллов при этом оказалось более высоким, а размер упорядоченных зон составлял до 40000 элементарных ячеек.

Исследователи нашли материалы, которые позволяют создавать оптические аналоги полупроводниковых транзисторов из этих кристаллов, путем заполнения их люминисцентом. В результате кристаллы могут служить светоизлучающими элементами с высоким КПД. В итоге, такие фотонные кристаллы способны пропускать свет ограниченного спектрального диапазона, причем при определенных условиях они формируют узконаправленный луч света.

Зачем это нужно

На основе созданных фотонных кристаллов можно проектировать устройства для оптического компьютера, а также разрабатывать элементную базу отечественных компонентов оптических, оптоэлектронных и микроэлектронных устройств, таких, как высокоэффективные светодиоды, низкопороговые лазеры, оптические ячейки памяти, оптические сенсоры механических напряжений и т. д. Подобные устройства экономичнее и экологичнее электронных.

Андрей Грунин


Главной проблемой проекта, на мой взгляд, является неправильное направление коммерциализации данной технологии. Дело даже не в том, что фотонные кристаллы не лучший элемент для будущих компьютеров, а в том что рассматриваемая технология совершенно не нужна для создания фотонных кристаллов с такими целями. Преимуществом технологии создания фотонных кристаллов из опалов является возможность делать их дешево и макроскопического размера. Собственно от этого и нужно отталкиваться и создавать скорее функциональные покрытия на их основе, элементы для эффективных перестраиваемых светоизлучающих устройств, а не элементную базу будущих компьютеров.

Могли вы поподробнее описать, где еще можно использовать технологию?


Андрей Грунин

Разработка, указанная в данном проекте, относится к области новых технологий создания функциональных материалов в области фотоники. На сегодняшний день существует множество технологий литографии, позволяющие создавать фотонные наноструктуры с заданным дизайном в том числе и трехмерных как, например, технология двухфотонной лазерной полимеризации. При этом технологии применимые для создания устройств микроразмера являются пригодными для массового производства и удовлетворяют рынок по себестоимости. И даже не особо важно, какие именно элементы лягут в основе будущего оптического компьютера — важно, что они будут сделаны контролируемым и полностью воспроизводимым образом.

Предложенная в проекте разработка основана на методике создания наноструктур методом самоорганизации. Данный подход безусловно является перспективным, но не в области элементов оптического компьютера. Преимущество данного подхода — низкая себестоимость и, как следствие, возможность создания наноструктурированных фотонных материалов макроскопического размера. Ключевым недостатком соответственно — недостаточная воспроизводимость структуры и значительно худшее качество по сравнению с конкурирующими методиками. Таким образом, технологически проект имеет потенциал коммерциализации только в случае нахождения ниши применения новых фотонных материалов с заданными свойствами в устройствах требующих макроскопических размеров (миллиметры) этих элементов. Это могут быть элементы спектрометрического оборудования - например суперпризмы, оптические фильтры с перестраиваемым спектром, элементы фотоупругих модуляторов, оптических сенсоров. Возможно, инвертированные опалы окажутся подходящими для увеличения эффективности светодиодных источников взамен брэгговским отражателям.

Если пойти по пути не инвертированных опалов, а прямых опалов и ещё, немного упростив методику, делать так называемое фотонное стекло, то возможна ниша в области новых оптических покрытий с уникальными спектральными свойствами и при этом имеющих разумную цену. Одной из потенциально наиболее массовых областей применения фотонных кристаллов вообще являются покрытия для солнечных батарей, локализующие падающий свет и, как следствие, увеличивающие их эффективность. В этой области действительно нужны большие площади покрытия и его низкая стоимость, а воспроизводимость на столь важна. Однако под вопросом остается технологический процесс массового нанесения подобного покрытия. Так что рекомендуется продумать более конкретно область применения, исходя из уникальных конкурентных преимуществ методики.



Images by Shutterstock

Система Экспир помогает участникам ФЦП "Исследования и разработки"

Наши инструменты — обучающие материалы, проверка работы на оригинальность, всегда свежая информация о конкурсах и конференциях

Подача предложений
Участие в конкурсах
Выполнение проектов

comments powered by Disqus

Подпишитесь на рассылку RUSBASE

Мы будем вам писать только тогда, когда это действительно очень важно