alebo Čo dnes dokÁŽeme so...
TRANSCRIPT
FOTONIKA – ALEBO ČO DNES DOKÁŽEME SO SVETLOM
Dušan Pudiš Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
26-feb-2015, Bratislava
VEDA V CENTRE
2/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
ČO JE SVETLO INTRO
2
2
002
2
tx
yy
EEz 3. a 4. MR dostávame pre E:
2
2
002
2
tx
zz
BB
podobne pre B:
txkBB bbz sin0
txkEE eey sin0riešenie:
3/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
LED (1962, Nick Holonyak)
08:42
Žiarovka (1879, Swan, Edison)
Solárny článok (1954, Bell Lab)
Laser (1961, Theodore Maiman)
MÍĽNIKY SVETELNÝCH TECHNOLÓGIÍ ÚVOD
Optical fiber (1966, Charles K. Kao)
OLED (1970, Ching W. Tang)
Obrázky: zdroj internet
4/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Modrá LED – 1989 -1991 (GaN) Modrý laser – 1999 – 3000 hodín
STVORITELIA MODREJ LED O LEDKÁCH
Nakamura et al., Japapanese J. Appl. Phys., 30 (1991), p.1998
Obrázky: zdroj internet
5/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
PÁR SLOV O BIELEJ LED O LEDKÁCH
www.merck-performance-materials.com
Obrázok: zdroj internet
Obrázok: zdroj internet
6/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Lotus effect
http://www.sharkwatchsa.com/en/blog/category/482/post/1149/shark-skin-white-shark/
MIKROŠTRUKTÚRY V PRÍRODE PRÍRODA
Obrázky: zdroj internet
http://america.aljazeera.com/watch/shows/techknow/blog/2014/2/11/the-biomimicry-revolution.html
7/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Morpho rhetenor (Peter Vukusic, Jean Pol Vigneron)
Apatura iris
Ooh, fotonika na krídlach
The finely colour’d feathers of some birds, and particularly
those of the peacocks’ tail, do in the very same part of the
eye, after the very same manner that thin film plates were
found to do. (Isaac Newton, 1704, Optics)
FOTONICKÝ KRYŠTÁL MOTÝĽOV PRÍRODA
Obrázok: zdroj internet
8/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
FOTONICKÝ KRYŠTÁL V PRÍRODE – 1D, 2D, 3D PRÍRODA
H. Wang, K. Q. Zhang, Sensors 2013, 13(4), 4192-4213
Morská myš Páv
Parides sesostris (3D inverse opal) L. augustus (3D diamantová štruktúra)
Morpho
Tmesisternus isabellae (suchý/mokrý)
9/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
1D – EFEKT NA MUCHE PRÍRODA
10/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
300 400 500 600 700 800 900 1000
70 oC
120 oC
170 oC
20 oC
220 oC
Re
fle
ctio
n in
ten
sity (
arb
. u
n.)
Wavelength (nm)
Teplotná závislosť odrazeného spektra
1D – EFEKT NA MUCHE PRÍRODA
Lokálna zmena štruktúry - zmena odrazeného spektra
11/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
FOTONICKÝ KRYŠTÁL V TECHNOLÓGIÁCH – 1D, 2D, 3D 08:42
TECHNOLÓGIE
Príroda Technológia
Bragove zrkadlo
PhC vlnovod
3D PhC laser
1D
2D
3D
Štruktúry z www.nanoscribe.de
2.5D
3D
2D
1D
Obrázky: zdroj internet
12/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Fotonický kryštál
2D 1D Fotonický zakázaný pás
Metóda prenosových matíc
1D a 2D fotonický kryštál
700
800
900
1000
1100
1200
1300
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Wavelength(nm)
Refle
ctiv
ity
Mj
R
T
FOTONICKÝ KRYŠTÁL – NIEČO O PRINCÍPE Z TEÓRIE
13/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
i
i
i
i
i
H
EM
H
E
1
1
i
i
iii
i
ii
i
i
H
E
kki
kik
H
E
cossin
sincos
1
1
Jednoduchá vrstva
Mj
R
T
2221
1211
mm
mmMM
j
j
Viacnásobná vrstva
,,, ndfR
RT 1
1D – INTERFERENCIA SVETLA NA TENKEJ VRSTVE Z TEÓRIE
Mi,i
Ei-1, Hi-1
Ei, Hi
ni,di
+ = konštruktívna interferencia
+ = deštruktívna interferencia
14/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
700 800 900 1000 1100 1200 13000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Vlnová dlžka (nm)
Re
fle
ktivita
Vlnová dĺžka (nm)
Ref
lekt
ivit
a
700 800 900 1000 1100 1200 13000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Vlnová dĺžka (nm)
Ref
lekt
ivit
a Bragove zrkadlo pre 980nm (GaAs/AlAs)
n (GaAs) = 3.53 n (AlAs) = 2.91
d (GaAs) = 69.4 nm d (AlAs) = 84.2 nm
Bragove zrkadlo pre 980nm (a-Si/SiOx)
n (a-Si) =2.45 n (SiOx) = 1.45
d (a-Si) = 100 nm d (SiOx) = 169 nm
4
nd
15 párov
10 párov
5 párov
10 párov
7 párov
5 párov
1D – REFLEXNÉ SPEKTRUM Z TEÓRIE
15/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Frek
ven
cia
(a/
2p
c)
Pásmo zakázaných frekvencií
- photonic band gap (PBG)
Reálna mriežka Brillouinova zóna
Plane-wave expansion method (PWE) Finite elements method (FEM) Finite difference method (FD)
Pôvodný článok o PBG: Yablonovitch E 1987 Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 S. John, Phys. Rev. Lett. 58(23), 2486(1987).
Disperzná rovnica ω = ω(k)
2D - FOTONICKÝ ZAKÁZANÝ PÁS Z TEÓRIE
16/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Priame popisovanie
laserovým zväzkom
Technológie prípravy
Preddefinované
štruktúry
Periodické
štruktúry Rôzne štruktúry 1D a 2D periodické štruktúry s rôznou
symetriou
1D a 2D technológie
NSOM litografia
Interferenčná
litografia
2q
E1 E2
TECHNOLÓGIE PRÍPRAVY FOTONICKÝCH KRYŠTÁLOV TECHNOLÓGIE
17/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Maskové litografie
substrate
substrate
photoresist
optical
fiber tip
Bezmaskové litografie
Nanoimprint a soft litografie
LITOGRAFIE TECHNOLÓGIE
18/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
2q
Ar laser
488nm 50:50
10x
Vzorka v rotačnom
držiaku
Delič zväzku
Expandér
q
sin2
I
x
Dva las. lúče interferujú na povrchu vzorky
2q
E1 E2
qf
qq sincossincos4 22
0 yxkII
i
imulti II
INTERFERENČNÁ LITOGRAFIA TECHNOLÓGIE
19/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Dvojitá expozícia Jedna expozícia
60° 90°
Sim
ulá
cia
pre
rôzne
Trojitá expozícia
INTERFERENČNÁ LITOGRAFIA TECHNOLÓGIE
Pri
pra
vené š
truktú
ry
AFM
obrá
zky
20/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
N ear-field
S canning
O ptical
M icroscope
vzorka
Optický hrot
1 m
Optická hrot, SEM obrázok
Novotny L, Hecht B. Principles of nano-optics. Cambridge University Press. New York 2006.
20 m
Optický hrot pri expozícii
LITOGRAFIA V BLÍZKOM POLI TECHNOLÓGIE
21/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
PERIODICKÉ
PREDEFINOVANÉ
AFM OBRÁZKY A PROFILY ŠTRUKTÚR
OBRÁZKY Z OPTICKÉHO MIKROSKOPU
LITOGRAFIA V BLÍZKOM POLI TECHNOLÓGIE
22/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
DLW princíp použitím skenera
10-100x
405 nm
PRIAME POPISOVANIE LASEROVÝM ZVÄZKOM TECHNOLÓGIE
DLW zariadenie (nanolitograf)
Štruktúra napísaná DLW systémom
23/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Fresnelova zónová platnička
Al vrstva na skle
Mach-Zehnderov interferometer vo fotoreziste a odtlačok v PDMS
Y-delič vo fotoreziste a odtlačok v PDMS
PRIAME POPISOVANIE LASEROVÝM ZVÄZKOM TECHNOLÓGIE
24/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Preddefinované
štruktúry
PhC v aplikáciách
LEDs PhC vlákna
Vlákna s fotonickou štruktúrou
PhC v optike a optoelektronike
Periodické
štruktúry
PDMS PhC LED
VYUŽITIE FOTONICKÉHO KRYŠTÁLU PRE LED TECHNOLÓGIE
25/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Socket
Schéma laserového čipu s 1D štruktúrou pre selektívny odraz
SEM obrázok 1D štruktúry na zadnej strane laserového čipu
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 18000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Wavelength (nm)
Reflection inte
nsity (
%)
R ~ 97% pri vlnovej dĺžke 1170 nm
Simulation parameters n(SiOx) = 1.45 n(-Si) = 2.45 t(SiOx) = 175 nm t(-Si) = 130 nm
1D – VIACVRSTVOVÉ SELEKTÍVNE ZRKADLÁ TECHNOLÓGIE
26/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
PhC
Y. J. Lee et al. Opt. Express 13 (15) (2005)
Zvýšenie vyviazania žiarenia z povrchu LED Zmena vyžarovacieho diagramu LED
J. J. Wierer, Appl. Phys. Lett. 84, 3885 (2004)
27/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Obrázok z AFM mikroskopu
Návrh diódy s fotonickou štruktúrou
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
50
100
150
200
250
PhC 0.49 m
no-PhC
Op
tica
l p
ow
er
(m
)
Current (mA)
PhC 2.40 m
Zvýšenie účinnosti vyžarovania
Obraz vyžarovania v blízkom poli
LED S FOTONICKOU ŠTRUKTÚROU NA POVRCHU APLIKÁCIE
28/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Návrh LED s preddefinovaným vzorom
Technika tvarovania NSOM litografiou
Obrázok vytvarovaného povrchu na čipe LED
LED S PREDDEFINOVANOU ŠTRUKTÚROU APLIKÁCIE
29/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
ANALÝZA LED V BLÍZKOM POLI
SEM OBRÁZKY
AFM OBRÁZOK TVAROVANÉHO POVRCHU
LED S PREDDEFINOVANOU ŠTRUKTÚROU APLIKÁCIE
30/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
LED S MEMBRÁNOU S FOTONICKOU ŠTRUKTÚROU APLIKÁCIE
31/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
Vyžarovací diagram
0 5 10 15 20 25
0
50
100
150
200
Optical pow
er (
W)
Current (mA)
PDMS PhC LED
unpatterned LED
Zlepšenie výkonu
LED S MEMBRÁNOU S FOTONICKOU ŠTRUKTÚROU APLIKÁCIE
32/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
FOTONICKÉ KRYŠTÁLOVÉ VLÁKNA A VLÁKNA S FBG A INÉ
Vlákno s 1D fotonickým kryštálom, alebo Braggovou mriežkou
Obrázky: zdroj internet
33/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
OPTICKÉ PINZETY ALEBO TRACTOR BEAM A INÉ
http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_levitation
http://physics.nyu.edu/grierlab/fillingb/
34/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
08:42
OPTOFLUIDIKA, BIOMEDICÍNA A INÉ
Mikro a nanoštruktúry na čipe vytvárajú vodivé cesty a filtre pre separáciu a analýzu biologických materiálov
Mikrošošovky Mikrofludický systém
Mikrokanál v priečnom reze
Obrázky: zdroj internet
35/35
Dušan Pudiš, Katedra fyziky, Žilinská univerzita v Žiline
PROJEKTY:
THIS WORK WAS SUPPORTED BY SLOVAK NATIONAL GRANT AGENCY UNDER PROJECTS NO. VEGA 1/0528/12, 1/0491/14 AND SLOVAK RESEARCH AND DEVELOPMENT AGENCY UNDER THE PROJECT NO. APVV-0395-12 AND THE R&D OPERATIONAL PROGRAM CENTRE OF EXCELLENCE OF POWER ELECTRONICS SYSTEMS AND MATERIALS FOR THEIR COMPONENTS II. NO. OPVAV-2009/2.1/02-SORO, ITMS 26220120046 FUNDED BY EUROPEAN REGIONAL DEVELOPMENT FUND (ERDF).
08:42
Spolupráca :
a) Inst. of Electronics and Photonics, Slovak University of
Technology, Bratislava, Slovakia
b) International Laser Center, Bratislava, Slovakia
c) Institute of Electrical Engineering SAS, Bratislava, Slovakia
d) Fakultät für Maschinenbau FG Lichttechnik Ilmenau University
of Technology, Ilmenau, Germany
e) Chair Materials for Electronics, Institute of Materials
Engineering and Institute of Micro- and Nanotechnologies
MacroNano®, Ilmenau University of Technology, Ilmenau,
Germany
ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ