البلورات الضوئية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

البلورات الضوئية[عدل]

باللغة الإنجليزية تعرف باسم Photonic Crystal وهي مركبات نانوية ضوئية متراصة بشكل دوري صممت لتؤثر على حركة الفوتونات بطريقة مشابهة لتأثير مركبات أشباه الموصلات على حركة الإلكترونات التي تسري بداخلها. البلورات الضوئية موجودة على الطبيعة منذ القدم وبدأت الدراسات العلمية حولها في ال100 سنة الماضية.

مقدمة[عدل]

تتكون البلورات الضوئية المتراصة بشكل دوري من مواد عازلة أو فلزية عازلة على مستوى النانوميتر , وتؤثر على سريان الموجات الكهرومغناطيسية بنفس الطريقة التي تؤثر بها مركبات اشباه الموصلات على سريان الجهد الكهربي وحركة الإلكترونات من خلال تحديد نطاقات (مسموحة وممنوعة) لمستويات الطاقة. في الأساس البلورات الضوئية تحوي بداخلها على حقول منتظمة من مواد يختلف ثابت العزل (ε dielectric constant) لديها زيادة ونقصاناً. أيضاً تذبذب وسريان الفوتونات (ذات الخاصية الموجية) داخل هذه المركبات وعدمه يعتمد على الطول الموجيللفوتون , الأطوال الموجية المسموح لها بالسريان داخل البلورات الضوئية تعرف باسم الأنماط (modes) ومجموعة الأنماط تشكل ما يعرف بالحزم (Bands), بينما مجموعة الأطوال الموجية التي لا يسمح لها بالسريان تعرف باسم البلورات الضوئية ذات الحزم الفراغية (photonic band-gap). هذا التركيب للبلورات الضوئية يسمح لبعض الأطوال الموجية بالتذبذب والسريان داخلها ويمنع بعض الأطوال الموجية بعدم التذبذب ويعطينا مزيدا من الظواهر الضوئية المختلفة مثل تثبيط الانبعاثات العفوية (inhibition of spontaneous emission), ودرجة عالية من الانعكاسية للمرايات متعددة الاتجهات , وفقدان أقل للطاقة في نواقل موجهات الموجات (waveguiding) , وغيرها من الظواهر الضوئية المختلفة. بناءً على ما ذكر يتضح أن البلورات الضوئية في الأساس تعتمد على الظاهرة الفيزيائية المعروفة بالـ (الحيود) أي إنحراف الأشعة (diffraction). التكرار الدوري (periodicity) للبلورات الضوئية يجب أن يكون على نفس مقاس نصف الطول الموجي للموجات الكهرومغناطيسية, مثلاً لو أردنا لبلورات ضوئية أن تعمل في نطاق معين من الضوء المرئي من200 نانوميتر (الطول الموجي للون الأزرق) إلى 350 نانوميتر (الطول الموجي للون الأحمر) يجب أن تكون المسافات (بين الحقول المتكررة من المواد العازلة التي تختلف درجة معزوليتها انخفاضا وارتفاعا) مساوية لنصف الطول الموجي المذكور أعلاه.وهذا يجعل عملية تصنيع البلورات الضوئية غاية في التعقيد والصعوبة.

تاريخ البلورات الضوئية[عدل]

على الرغم من أن دراسة البلورات الضوئية بشكل أو بآخر كانت منذ عام 1887م، إلا أن أول استخدم لمصطلح "الكريستال الضوئية" كان بعد 100 عام من ذلك التاريخ،أي بعد أن نشر العالمان (Eli Yablonovitch) و(Sajeev John) أوراقهما العلمية عن البلورات الضوئية في عام 1987[1][2]. قبل العام 1987م تمت دراسة البلورات الضوئية ذات البعد الواحد باستفاضة خصوصا البلورات الضوئية الموجودة في شكل طبقات دورية عازلة مثل الـ (Bragg mirror) , وفي العام 1887م بدأ العالم (Lord Rayleigh) دراساته وتوصل إلى أن البلورات الضوئية ذات البعد الواحد ولها حزم من الفجوات (band-gap) ولها مدى طيف ذات إنعكاسية عالية تعرف باسم النطاق المتوقف (stop-band). [3] واليوم مركبات البلورات الضوئية لها نطاق واسع من التطبيقات مثل الطلاء العاكس لتعزيز كفاءة الديودات الضوئية (LEDs), والمرايات ذات الإنعكاسية العالية المستخدمة في أنظمة اليزر. وقام العالم (Vladimir P. Bykov) [4] بدراسة نظرية مفصلة للبلورات الضوئية ذات البعد الواحد , وهو أول من اكتشف تأثير البلورات الضوئية ذات الحزم الفراغية (photonic band-gap) على الانبعاث التلقائي من الذرات والجزيئات المطمورة داخل البلورات الضوئية. وهو أيضاً (Bykov) من تكهن ماذا يحدث لو استخدمنا بلورات ضوئية ذات بعدين أو ثلاثة أبعاد. [5] ومفهوم البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد تمت دراستها بواسطة (Ohtaka) في العام 1979م [6] وهو من قام بالتطوير الشكلي لكيفية حسابات الروابط لمركبات البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد . لكن هذه الدراسة لم تؤخذ في الاعتبار إلا بعد أن تم نشر ورقتين علميتين بارزتين من العالمين ( Yablonovitch و John) في العام 1987م. كلا الورقتين كانت معنية بدراسة البلورات الضوئية ذات الأبعاد المتعددة, (Yablonovitch's) كان دافعه الأساسي هو هندسة كثافة مستويات الطاقة للفوتونات للتحكم في الانبعاثات اللحظية (spontaneous emission) لمادة محشوة بالكرستالات الفوتونية, بينما (John) كانت فكرته هي استخدام البلورات الضوئية للتحكم والتأثير على الضوء. بعد عام 1987، بدأ عدد الأوراق البحثية المتعلقة البلورات الضوئية يزداد باطراد. ومع ذلك، ونظرا لصعوبة تصنيعها كانت الدراسات الأولى للبلورات الضوئية في النطاق النظري أو في نطاق موجات الميكروويف, حيث يمكن بناء البلورات الضوئية على مقياس السنتيمتر أكثر بسهولة ويمكن الوصول إليها. (هذه الحقيقة هي نتيجة لخاصية في المجال الكهرومغناطيسي تعرف باسم مقياس الثبات – في جوهرها أن حلول معادلات ماكسويل في المجال الكهرومغناطيسي ليس لديها مقياس طول طبيعي, والحلول على مقياس السنتميتر هي نفسها الحلول على مقياس النانوميتر في الترددات الضوئية ). بحلول عام 1991م، برهن العالم (Yablonovitch) إمكانية عمل البلورات الضوئية ذات الحزم الفراغية (photonic band-gap) ثلاثية الأبعاد في نطاق موجات الميكروويف [7].

وقام بإنتاج مصفوفات من الحفر والثقوب المتشاركة على مادة شفافة، حيث ثقوب كل طبقة تشكل هيكل على شكل الماس معكوس (inverse diamond structure) - اليوم كما هو معروف بـ (Yablonovite.). وفي عام 1996، قدم (Thomas Krauss) أول نموذج من بلورة ضوئية ثنائية الأبعاد في نطاق الموجات الضوئية [8] . وهذا فتح الطريق أمام صناعة البلورات الضوئية المصنعة على المواد شبه الموصلة باقتباس الطرق المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات. واليوم، عدة تقنيات تستخدم ألواح الكريستال الضوئية، وهي عبارة عن بلورات ضوئية ثنائية الأبعاد "محفورة" في ألواح من أشباه الموصلات؛ وبتأثير ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي يظل الضوء محصوراً داخل هذه الألواح، ويمكن الاستفادة من تأثير الكريستالات الضوئية لهندسة تشتت الضوء داخل هذه الألواح. والبحث جار في جميع أنحاء العالم لاستخدام ألواح الكريستال الضوئية في رقائق الكمبيوتر المتكاملة، لتحسين المعالجة الضوئية للاتصالات سواء داخل الدائرة المتكاملة أو للربط بين الدوائر المتكاملة. على الرغم من أن هذه التقنيات لم تصل إلى مرحلة التطبيقات التجارية، إلا أن البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد وجدت طريقها للاستخدام التجاري في شكل بلورات ضوئية بصرية photonic crystal fibres [9](والمعروف باسم ألالياف المخرمة، وذلك بسبب ثقوب الهواء التي تعمل من خلالها). وأول من طور ألياف الكريستال الضوئية هو (Philip Russell) في العام 1998، ويمكن أن تكون مصممة لتمتلك خصائص إضافية فوق الخصائص العادية للألياف البصرية. تطور دراسة البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد يسير ببطء أكثر من مثيلتها البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد. والسبب هو الصعوبة الزائدة في التصنيع [9] ولم يكن هناك سهولة من وراثة التقنيات الصناعية المستخدمة في أشباه الموصلات لتطبيقها على أرض الواقع بالمثل في صناعة البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد. وهناك بعض المحاولات التي بذلت لتوليف بعض التقنيات، وهناك أمثلة متقدمة جدا،[10] على سبيل المثال في بناء تركيبات بلورية على شكل "الحطب" "woodpile" التي بنيت على أساس طبقة مستوية بوضع طبقة تلو طبقة. وهناك ثمة مسار آخر للبحث في محاولة لبناء مركبات ضوئية ثلاثية الأبعاد بواسطة المجمعات الذاتية (self-assembly) – لتقوم بمزج الكرات النانوية العازلة من محلول إلى مرسبات ثلاثية الأبعاد في شكل دوري وتمتلك خاصية البلورات الضوئية ذات الحزم الفراغية (photonic band-gap). وأول تصنيع للبلورات الضوئية على شكل مركبات "أوبال عكسية" "inverse opal" كانت في العام 2000م بواسطة باحثين من جامعة تورنتو بكندا.[11] وهناك أيضا مجال واسع للبحث في مجال (biomimetics) – وهو دراسة المركبات الطبيعية لتكوين فهم أوسع لمساعدة الباحثين في تصميم البلورات الضوئية [12] على سبيل المثال في عام 2006م وجدت مركبات كريستال ضوئية طبيعية في مقياس الخنفساء البرازيلية [13].

الاستراتيجيات البنائية للبلورات الضوئية[عدل]

طريقة تصنيع البلورات الضوئية يعتمد على عدد من الأبعاد ولابد أن تحتوي بداخلها الحزم الفراغية الضوئية (photonic bandgap).

أولا : البلورات الضوئية أحادية البعد One-dimensional photonic crystals[عدل]

البلورات الضوئية ذات البعد الواحد، بها عدة طبقات ثابت العزل (dielectric constant) لديها لابد أن يكون مختلف توضع أو تلصق مع بعضها البعض لتكون لنا مع بعضها حزم فراغية ضوئية (photonic bandgap) في اتجاه واحد على سبيل المثال Bragg grating هو واحد من هذا النوع من البلورات الضوئية. البلورات الضوئية ذات البعد الواحد قد تكون من النوع خصائصه موحدة (isotropic) أو من النوع خصائصه متباينة (anisotropic). والنوع الثاني يمكن يستخدم كمفتاح ضوئي [14].

ثانياً : البلورات الضوئية ثنائية البعد Two-dimensional photonic crystals[عدل]

في هذا النوع من البلورات يتم حفر فجوات في الطبقة السفلية الأساسية وتكون شفافة لبعض الأطوال الموجية التي من المفترض أن يتم حجبها عن طريق الحزم الفراغية (bandgap) المصممة لذلك.الألياف المخرمة (Holey fiber) أو الياف الكريستال الضوئية photonic crystal fiber يمكن تصنيعها من قضبان اسطوانية زجاجية في شبكة سداسية (hexagonal lattice), بعد تسخينها وشدها , وتوجد بها مثلثات في شكل فراغات هوائية بين قضبان الزجاج لتقوم بعمل الفجوات التي تمثل الأوساط المحصورة (confine the modes).

ثالثاً : البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد Three-dimensional photonic crystals[عدل]

هناك عدة تشكيلات وأنواع تم بناءها من هذا النوع :

  • أشكال كروية في شكل شبكة الماس Spheres in a diamond lattice
  • Yablonovite
  • أشكال كومة الخشب The Woodpile Structure

هذا النوع يتم بنائه عن طريق قضبان مكررة ومحفورة بتقنية الطباعة الحجرية beam lithography وملئت بمادة جديدة , ويتم تكرار هذه العملية على الطبقة التي تليها مع عمل قنوات محفورة ومتعامدة على الطبقة التي أسفل منها, ومتوازية مع الطبقة التي تليها أسفل منها بطبقتين ولكن ليست معها في نفس المستوى. تكرر هذه العملية إلى أن نحصل على الارتفاع الذي نريده. ومن ثم يتم تذويب المادة المالئة فقط بدون التأثير على البناء الذي تحصلنا عليه. ومن الصعب عمل تشويب (defects) في هذا البناء الهيكلي.

  • Inverse opals

هذا البناء يشبه الـ (opals) وهو نوع من الأحجار الكريمة أو يسمى ب (بلورات الصمغ الكروية المعكوسة) (Inverse Colloidal Crystals-Spheres) مثل الـ (polystyrene) ويتم الحصول عليها بترسيبها على شبكة مكعبات متقاربة مع بعضها cubic close packed عالقة في مذيب, يتم تقويتها لعمل مادة صلبة شفافة خارجة عن الحجم الذي ملأ به المذيب, ومن ثم يتم إذابة الكرات باستخدام محاليل مذيبة مثل (Hydrochloric acid).

  • رزمة البلورات ثنائية البعد A stack of two-dimensional crystals

هذه الفئة من البلورات الضوئية هي أعم من (Yablonovite) إلا أن تصنيع البلورات من نوع (Yablonovite) يستخدم هذه الطريقة.

التحديات الصناعية[عدل]

التحدي الرئيسي هو تصنيع بلورات ضوئية ذات أبعاد متعددة مع دقة كافية لتفادي عدم الوضوح والتشتت لخصائص البلورات الضوئية, مع عمليات إنتاجية بكميات كبيرة.استخدام تقنية الألياف المرسومة (fiber draw techniques) هي واحدة من طرق التصنيع الواعدة لإنتاج ألياف الكريستال الضوئية (photonic-crystal fiber) وهي متوفرة تجارياً لتطوير الاتصالات الضوئية (communications fiber) وهذه التقنية موافقة للشرطين المذكورين أعلاه (الدقة والإنتاجية العالية). طريقة أخرى واعدة لتطوير البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد هي ما يسمى لوح الكريستال الضوئية (photonic crystal slab). هذه الهياكل تتكون من لوح من المواد )مثل السليكون) التي يمكن نقشها باستخدام تقنيات مستعارة من صناعة أشباه الموصلات. مثل هذه الرقائق تتيح لنا إمكانية الجمع بين المعالجة الضوئية مع المعالجة الإلكترونية على شريحة واحدة. بالنسبة للبلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد توجد عدة تقنيات مستخدمة في التصنيع تشمل تقنية الطباعة الحجرية (photolithography) وتقنية التقشير وهي مماثلة للتقنيات المستخدمة في صناعة الدوائر المتكاملة [10] , وبعض هذه التقنيات متوفر تجارياً. وللتحايل أيضاً تم استخدم طرق نانوية (nanotechnological methods) مع صعوبتها وتعقيداتها الميكانيكية اتبعت كنهج بديل في التجميع الذاتي (self-assembled) لبناء بلورات ضوئية من البلورات الغروية (colloidal crystals). رقاقات والياف (films and fibres) كتل البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد تم إنتاجها باستخدام تقنية التجميع والقص (shear-assembly) لرص 200 – 300 نانوميتر من كرات البوليمر الغروي في رقاقات من نوع البلورات الشبكية ذات الوجه المكعب (Face Center Cube lattice) , ولأن هذه الرقاقات مطلية بالمطاط الشفاف يمكن شدها وتشكيلها لإنتاج بلورات ضوئية يمكن تغيير الحزم الفراغية الضوئية (photonic bandgap) الخاصة بها للحصول على تأثيرات لونية مدهشة.

حساب تركيبات الحزم الضوئية Computing photonic band structure[عدل]

الحزم الضوئية الفراغية (photonic band gap (PBG)) هي في الأساس فجوات بين خط من الفراغ (air-line) وخط من المادة العازلة (dielectric-line) مع علاقة التشتت (dispersion relation) في نظام الـ (photonic band gap (PBG)). لتصميم نظام بلورات ضوئية من الضروري معرفة وهندسة مواضع وأحجام الحزم الفراغية (bandgap) وهذا لا يمكن إلا باستخدام واحد من أنظمة النمذجة الحاسوبية (computational modeling) الآتية :

  1. Plane wave expansion method
  2. Finite element method.
  3. Finite difference time domain method.
  4. Order-n spectral method .[15][16]
  5. KKR method .
  6. Bloch wave – MoM method .

أساسا طرق الحل هذه تستخدم في حساب ترددات البلورات الضوئية لكل قيمة اتجاه الانتشار المعطى من متجه الموجة والعكس صحيح, للمزيد حول هذا الموضوع يمكن مراجعة كتاب (Joannopoulos) Photonic Crystals: Molding the Flow of Light (second edition)[17] يمكن استخدام طريقة (plane wave expansion method) لحساب التركيبات الحزمية (band structure) باستخدام صياغة (eigen formulation) لمعادلات ماكسويل, ومن ثم يتم حل تردادت (eigen) لكل اتجاه انتشار لمتجه الموجة. ويمكن حلها مباشرة من (dispersion diagram). لتسريع الحل لحساب ترددات تركيب الحزم الضوئية الفراغية يمكن استخدام طريقة (Reduced Bloch Mode Expansion (RBME) [18] .وهي الطريقة المفضلة على كل الطرق السابق ذكرها أعلاه, وفي النماذج التي تحتوي على عدد كبير من الذرات هذه الطريقة (RBME) قادرة على تقليل زمن الحسابات بدرجة كبيرة.

التطبيقات[عدل]

البلورات الضوئية هي المواد الضوئية الأكثر جذباً في عملية التحكم والتلاعب في انتشار الضوء. البلورات الضوئية أحادية الأبعاد مستخدمة على نطاق واسع في شكل رقاقات ضوئية رفيعة (thin-film optics) مع تطبيقات تتراوح بين الطلاء الانعكاسي العالي والمنخفض للعدسات والمرايا ,وتغيير ألوان الطلاءات (colour changing paints) والأحبار. البلورات الضوئية ذات الأبعاد المتعددة تحظى باهتمام كبير في البحوث الأساسية والتطبيقية على حد سواء، بينما البلورات الضوئية ثنائية البعد بدأت تطبق تجارياً. وأول المنتجات التجارية التي تتضمن على البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد هي ألياف الكريستال الضوئية (photonic-crystal fiber) والتي تستخدم بنية ميكروية (microscale) لحصر الضوء مع خصائص مختلفة جذريا بالمقارنة مع الألياف الضوئية التقليدية للتطبيقات في الأجهزة غير الخطية وموجهات الموجات . بينما البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد ما زالت بعيدة عن الاستغلال التجاري ولكنها توفر ميزات إضافية مما قد يؤدي إلى مفاهيم جديدة في الأجهزة (على سبيل المثال أجهزة الكمبيوتر الضوئية)، بينما هناك بعض الصعوبات في الجوانب التكنولوجية مثل إمكانية التصنيع وهي تحت السيطرة.

المراجع[عدل]

  1. ^ E. Yablonovitch (1987), "Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics" (PDF), Physical Review Letters 58 (20): 2059–2062, Bibcode 1987PhRvL..58.2059Y,
  2. ^ S. John (1987), "Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices" (PDF), Physical Review Letters 58 (23): 2486–2489, Bibcode 1987PhRvL..58.2486J, doi:10.1103/PhysRevLett.58.2486, PMID 10034761
  3. ^ J. W. S. Rayleigh (1888), "On the remarkable phenomenon of crystalline reflexion described by Prof. Stokes" (PDF), Phil. Mag 26: 256–265
  4. ^ V. P. Bykov (1972), "Spontaneous Emission in a Periodic Structure", Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics 35: 269–273, Bibcode 1972JETP...35..269B
  5. ^ V. P. Bykov (1975), "Spontaneous emission from a medium with a band spectrum", Quantum Electronics 4 (7): 861–871, Bibcode 1975QuEle...4..861B, doi:10.1070/QE1975v004n07ABEH009654
  6. ^ K. Ohtaka (1979), "Energy band of photons and low-energy photon diffraction", Physical Review B 19 (10): 5057–5067, Bibcode 1979PhRvB..19.5057O, doi:10.1103/PhysRevB.19.5057
  7. ^ E. Yablonovitch, T.J. Gmitter, K.M. Leung, E; Gmitter, TJ; Leung, KM (1991), "Photonic band structure: the face-centered-cubic case employing nonspherical atoms" (PDF), Physical Review Letters 67 (17): 2295–2298, Bibcode 1991PhRvL..67.2295Y, doi:10.1103/PhysRevLett.67.2295, PMID 10044390
  8. ^ T. F. Krauss, R. M. DeLaRue, S. Brand (1996), "Two-dimensional photonic-bandgap structures operating at near-infrared wavelengths", Nature 383 (6602): 699–702, Bibcode 1996Natur.383..699K, doi:10.1038/383699a0
  9. ^ أ ب Jennifer Ouellette (DECEMBER 2001/JANUARY 2002), "Seeing the Future in Photonic Crystals", The Industrial Physicist 7 (6): 14–17
  10. ^ أ ب Review: S. Johnson (MIT) Lecture 3: Fabrication technologies for 3d photonic crystals, a survey
  11. ^ Blanco, Alvaro; Blanco, Alvaro; Chomski, Emmanuel; Grabtchak, Serguei; Ibisate, Marta; Leonard, Stephen W.; Lopez, Cefe; Meseguer, Francisco et al. (2000), "Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres", Nature 405 (6785): 437–440, doi:10.1038/35013024, PMID 10839534
  12. ^ Kolle, Mathias (2011), Photonic Structures Inspired by Nature (1st ed.), ISBN 978-3-642-15168-2
  13. ^ Michael H. Bartl et al (2008), "Discovery of a diamond-based photonic crystal structure in beetle scales", Physical Review Letters 77 (5), Bibcode 2008PhRvE..77e0904G, doi:10.1103/PhysRevE.77.050904
  14. ^ Fiddy, Michael A.; Schenk, John O.; Cao, Yang (2008), "Third Order Nonlinear Effect near a Degenerate Band Edge", Optics and Photonics Letters 1 (1): 1–7, doi:10.1142/S1793528808000033.
  15. ^ P. Ordejon (1998), "Order-n tight-binding methods for electronic-structure and molecular dynamics", Computational materials science 12 (3): 157–191, doi:10.1016/S0927-0256(98)00027-5
  16. ^ Richard M Martin, Linear Scaling 'Order-N' Methods in Electronic Structure Theory
  17. ^ John D Joannopoulos, Johnson SG, Winn JN & Meade RD (2008), Photonic Crystals: Molding the Flow of Light (2nd ed.), Princeton NJ: Princeton University Press, ISBN 978-0-691-12456-8
  18. ^ M.I. Hussein (2009), "Reduced Bloch mode expansion for periodic media band structure calculations", Proceedings of the Royal Society A 465 (2109): 2825–2848, arXiv:0807.2612, Bibcode 2009RSPSA.465.2825H, doi:10.1098/rspa.2008.0471