Создан фотонный кристалл: американцы соединили оптику и электронику

Исследователи из Университета Иллинойса продемонстрировали первый оптоэлектронный активный трехмерный фотонный кристалл, который может открыть новые возможности в разработке солнечных батарей, лазеров, метаматериалов и множества других высокотехнологичных устройств.

Американским ученым удалось найти способ изменить трехмерную структуру полупроводникового материала и придать ей новые, оптические свойства, сохранив электрические.

Процесс создания трехмерного фотонного кристалла с электрическими свойствами

Фотонные кристаллы представляют собой материалы, которые могут управлять светом благодаря своей уникальной физической структуре. Фотонные кристаллы могут демонстрировать необычные явления, они могут влиять на фотоны и позволяют создавать устройства, которые невозможны при использовании традиционных оптических материалов. Фотонные кристаллы широко применяются в лазерах, солнечных батареях, светодиодах и множестве других устройств.

Тем не менее, все предыдущие попытки создания фотонных кристаллов приводили к появлению оптически активных материалов, которые могли управлять светом, но не имели электрических свойств, например не могли превратить электричество в свет или наоборот.

Фотонный кристалл ученых Университета Иллинойса обладает такими свойствами: он имеет уникальные оптические свойства и при этом имеет свойства электрические.

Новый фотонный кристалл создан с помощью технологии эпитаксии – послойного выращивания монокристалла. Обычно она широко применяется в промышленности для создания двумерных пленок полупроводников, но группе ученых удалось найти способ использовать ее для выращивания сложных трехмерных структур.

Для этого ученые сделали шаблон из плотно упакованных крошечных сфер, который поместили в арсенид галлия, заполнивший пробелы между ними. Обычно арсенид галлия растет в виде пленки снизу верх, но в данном случае по мере роста ему пришлось заполнять полости в шаблоне, формируя трехмерный кристалл. Как только шаблон заполнился, исследователи удалили сферы, в результате чего сформировалась пористая трехмерная структура монокристаллического полупроводника. Затем они покрыли всю структуру тонким слоем полупроводника с более широкой запрещенной зоной для повышения производительности и предотвращения поверхностной рекомбинации. Для проверки новой технологии, ученые создали и успешно испытали трехмерный светодиодный кристалл.

Новая технология позволяет избежать множества дефектов, которые неизбежны при использовании других традиционных методов создания трехмерных фотонных структур.

В настоящее время ведется работа по оптимизации структуры для конкретных приложений: светодиодов, полупроводниковых материалов, солнечных панелей, метаматериалов и низкопороговых лазеров.