alebo Čo dnes dokÁŽeme so...

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