Нанотехнологии в электронике

Содержание

Слайд 2

Фотоника – область науки и техники, связанная с использованием светового излучения

Фотоника – область науки и техники, связанная с использованием светового излучения

(потока фотонов) в системах, обеспечивающих генерацию, усиление, модуляцию и детектирование оптических сигналов

Первоначально термин «фотоника» являлся эквивалентом термина «электроника» для систем, использующих для передачи информации оптическое излучение. В настоящее время это понятие включает в себя не только системы передачи информации при помощи оптического излучения, но также связанные с ними системы генерации, преобразования, детектирования оптических сигналов, а также системы хранения информации.

Определение

Слайд 3

фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно

фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в

видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой (длина волны 10...380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15...150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2...4 ТГц соответствует длине волны 75...150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры.
фотоника также может быть охарактеризована как область физики и технологии, связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями существования и уничтожения фотонов. Это означает, что фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое поле для своего применения: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.
Термин «фотоника» в области современной оптики наиболее часто обозначает возможность создания фотонных технологий обработки сигналов, то же самое, что «электроника»
Некоторые источники отмечают, что термин «оптика» постепенно заменяется новым обобщённым названием — «фотоника».

Другие определения

Слайд 4

Основные направления исследований в области фотоники Разработка оптических, электрооптических и оптоэлектронных

Основные направления исследований в области фотоники

Разработка оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств

и исследование возможности их применения.
Разработка устройств волоконной и интегральной оптики, в том числе – полупроводниковых лазеров, электронных СВЧ-устройств, электрооптических модуляторов, фильтров, фазовращателей и проч.
Фундаментальные исследования процессов, сопровождающих распространение электромагнитного излучения в веществе и взаимодействие электромагнитного излучения с веществом: генерация гармоник, условия поглощения, отражения и рассеяния света различными средами, разные виды люминесценции и др.
Разработка устройств высокоскоростной передачи информации
Слайд 5

Фотоника как отрасль индустрии Laser Macro Processing Systems Machine Tools Data:

Фотоника как отрасль индустрии

Laser Macro Processing Systems

Machine Tools

Data: Optech Consulting, VDW

Мировой

рынок фотоники – около 300 млрд евро (прогнозируемый рост на 6,5% ежегодно)
Европейский рынок фотоники – более 60 млрд евро (прогнозируемый рост – на 8% ежегодно)
Европейская фотоника в 2008г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых – 300 тыс. чел., в 2005-2008г.г. фотоника создала в Европе 40 тыс. новых рабочих мест.
Слайд 6

Разделы фотоники

Разделы фотоники

Слайд 7

Лазерные технологии – основа фотоники Принципиальная особенность лазерного луча – когерентность,

Лазерные технологии – основа фотоники

Принципиальная особенность лазерного луча – когерентность, следствием

которой являются малая угловая расходимость и высокая монохроматичность.
Отсюда: возможность концентрации энергии лазерного излучения
- в пространстве
- во времени
- в спектральном диапазоне
Энергия лазерного излучения «хорошо управляема».
Слайд 8

Лазерные информационные технологии запись и хранение информации (оптические диски) воспроизведение аудио-

Лазерные информационные технологии
запись и хранение информации (оптические диски)
воспроизведение аудио- и

видеозаписей (лазерные проигрыватели)
отображение информации (дисплеи, лазерное телевидение)
передача информации по световолокну, связь
передача информации по открытому лучу в атмосфере и в космосе
обработка информации, квантовые компьютеры
квантовая криптография
Слайд 9

Технологический форсайт Институты развития: ОАО «Роснано», ОАО «РВК», Фонд содействия развитию

Технологический форсайт

Институты развития:
ОАО «Роснано», ОАО «РВК», Фонд содействия развитию малых

форм предпринимательства в научно-технической сфере, Фонд «Сколково»

Поддержка университетов:
Исследовательских и
федеральных
университетов,
218, 219, 220
постановления

Программы инновационного развития компаний с государственным участием

ФЦП «Исследования
и разработки по
приоритетным
направлениям
развития научно
технического
комплекса России на
2007- 2012 годы»
ФЦП «Национальная
технологическая
база»
Отраслевые ФЦП
Программа
фундаментальных
исследований
до 2020 года, РФФИ

Технологические
платформы

Технологические платформы для развития и модернизации отечественной науки и технологий

Слайд 10

Слайд 11

Технологические платформы по направлению «Фотоника» Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии

Технологические платформы по направлению «Фотоника»

Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии –

фотоника.
Развитие российских светодиодных технологий
Слайд 12

«…Полупроводники — это почти весь окружающий нас неорганический мир» А.Ф. Иоффе

«…Полупроводники — это почти весь окружающий нас неорганический мир»
А.Ф. Иоффе

Тонкие пленки

(1 – 100 нм)
Нанослои и многослойные наноструктуры
Квантовые точки
Нано – трубки, стержни, нити и т.д.
Нанодомены
Фотонные кристаллы
Неупорядоченные и квазиупорядоченные
наноструктуры

ПОЛУПРОВОДНИКИ

ФЕРРОМАГНЕТИКИ

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ

МУЛЬТИФЕРРОИКИ

ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Слайд 13

Чувствительность •к малым объемам( surface-sensitive) •к химическим элементам в малых количествах

Чувствительность
•к малым объемам( surface-sensitive)
•к химическим элементам в малых количествах
•к функциональным свойствам
Разрешение
•пространственное(X-Y,

Z)
•спектральное(энергетическое)
•временное
Недеструктивность
Интерпретация

Оптическая микроскопия
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (SNOM)
Оптическая спектроскопия
Генерация второй оптической гармоники
Фотолюминесценция

Слайд 14

3 ~250 nm ~180 nm ~100 nm ~30 nm ~30 nm

3

~250 nm

~180 nm

~100 nm

~30 nm

~30 nm

Garini et al, Curr Opin Biotech

2005. 16, 3-12

Practice: High-resolution optical methods

Слайд 15

Дисперсия света – зависимость показателя преломления от частоты света Разложение в

Дисперсия света – зависимость показателя преломления от частоты света

Разложение в спектр

белого света при помощи линзы Ньютона

Фундаментальные положения оптики, используемые в устройствах фотоники

Слайд 16

Полное внутреннее отражение Для разных частот – разные направления полного отражения

Полное внутреннее отражение

Для разных частот – разные направления полного отражения

Слайд 17

Фотонные кристаллы Фотонные кристаллы - среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически

Фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы - среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется

в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света.
Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда.
Понятие разрешенных и запрещенных энергетических зон - один из столпов твердотельной электроники. В оптике твердого тела схожее понятие появилось лишь в 1987 году, когда Эли Яблонович (Eli Yablonovitch), сотрудник Bell Communications Research (ныне профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе), ввел понятие запрещенной зоны для электромагнитных волн (electromagnetic band gap
Слайд 18

Фотонные кристаллы С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой (crystal

Фотонные кристаллы

С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой (crystal superlattice)

- средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно). Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света.
Слайд 19

Принцип действия фотонного кристалла Используемые понятия и явления: Интерференция Дисперсия света Полное внутреннее отражение Фотонные кристаллы

Принцип действия фотонного кристалла

Используемые понятия и явления:
Интерференция
Дисперсия света
Полное внутреннее отражение

Фотонные кристаллы

Слайд 20

Фотонные кристаллы Фотонные кристаллы по аналогии с 1D дифракционными решетками называют

Фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы по аналогии с 1D дифракционными решетками называют иногда

трехмерными дифракционными решетками. Распространение излучения в таких решетках определяется условием максимума интерференции света, рассеянного на узлах, и зависит от угла между направлением волнового вектора и осями дифракционной решетки - фотонного кристалла

При рассеянии фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых выполнено условие максимума интерференции. Для одномерного кристалла - нити (а), такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае (б) - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей

Трехмерный случай (в) принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.

Слайд 21

Фотонные кристаллы в природе Морской червь Genus aphrodita и его радужные иголки Фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы в природе

Морской червь
Genus aphrodita и его
радужные иголки

Фотонные

кристаллы
Слайд 22

Фотонные кристаллы в природе Фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы в природе

Фотонные кристаллы

Слайд 23

Структура крыльев бабочки а) и б) - сине-фиолетовый цвет с переливами

Структура крыльев бабочки

а) и б) - сине-фиолетовый цвет с переливами
с) –

коричневый цвет

Фотонные кристаллы

Слайд 24

Опалы Фотонные кристаллы

Опалы

Фотонные кристаллы

Слайд 25

Спонтанная кристаллизация коллоидного раствора SiO2 Фотонные кристаллы

Спонтанная кристаллизация коллоидного раствора SiO2

Фотонные кристаллы

Слайд 26

Фотонные кристаллы

                                             

Фотонные кристаллы

Слайд 27

Фотонные кристаллы Ni опалы Xindi Yu, Yun-Ju Lee, Robert Furstenberg, Jeffrey

Фотонные кристаллы

Ni опалы

Xindi Yu, Yun-Ju Lee, Robert Furstenberg, Jeffrey O. White,

Paul V Braun в статье «Filling fraction dependent properties of inverse opal metallic photonic crystals»исследуют никелевые фотонные кристаллы с различными топографиями. Спектр отражения был измерен с помощью FTIR. Для того чтобы увеличить глубину проникновения излучения, образцы постепенно растравливались.

a) СЭМ изображения Ni инвертированных опалов с различной топографией и растравленностью пор; b) срез инвертированного опала; с) Эволюция спектра отражения в завимости от растравленности 26%-20%-13%-5%

Спектральная зависимость отражения для разного количества слоев для опалов с «красной» топографией.

Слайд 28

ФОТОННОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ФОТОНИКИ И ПРИНЦИПЫ ИНТЕГРАЦИИ

ФОТОННОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ФОТОНИКИ И ПРИНЦИПЫ ИНТЕГРАЦИИ

Слайд 29

Устройства на ФК Wei Wu. US 7,315,663 B2. // Electronically controlled

Устройства на ФК

Wei Wu. US 7,315,663 B2. // Electronically controlled photonic

crystal optical switch. - 2008.

Daniel L. Barton and Arthur J. Fischer
Semiconductor Material and
Device Sciences, Sandia National Labs.

Оптический разветвитель

Фотонно-кристаллический волновод

Фотонно-кристаллический светодиод

Слайд 30

Область применения – волоконные оптические линии связи

Область применения – волоконные оптические линии связи

Слайд 31

Распространение света по сердцевине волокна полное отражение запрещенные зоны

Распространение света по сердцевине волокна

полное отражение запрещенные зоны

Слайд 32

Виды фотонных волокон полая сердцевина проводящая сердцевина

Виды фотонных волокон

полая сердцевина проводящая сердцевина

Слайд 33

а ~ λ Структура фотонного кристалла, иллюстрация с сайта SoftPedia.com

а ~ λ

Структура фотонного кристалла, иллюстрация с сайта SoftPedia.com

Слайд 34

Интерферометр Маха-Цандера Электро-оптические модуляторы

Интерферометр Маха-Цандера

Электро-оптические модуляторы

Слайд 35

1,3 – 1,55 μm

1,3 – 1,55 μm

Слайд 36

Слайд 37

Слайд 38

Слайд 39

Слайд 40

Слайд 41

Слайд 42

Input light coupling into the waveguide Light propagation inside the PhC

Input light coupling into the waveguide
Light propagation inside the PhC prism

- IR image
NSOM image of the negatively refracted beam

θr = -30o

Nanofabricated negative-index optical elements from InP/InGaAsP and SOI heterostructures
Ravinder Banyal, B. D. F. Casse , W. T. Lu, S. Selvarasah , Y.J. Huang1, C. H. Perry, M. Dokmeci and S. Sridhar, MRS 2007.

Слайд 43

Слайд 44

Моделирование. Метод конечных разностей во временной области Конечная расчетная область разбивается

Моделирование. Метод конечных разностей во временной области

Конечная расчетная область разбивается на

мелкие ячейки -> уравнение Максвелла применяем к одной ячейке -> объединяя на все ячейки, получаем матричный вид
Слайд 45

Моделирование Металлический инвертированный опал Функциональный материал: Ni; период структуры: 530 нм;

Моделирование
Металлический инвертированный опал

Функциональный материал: Ni;
период структуры: 530 нм;
диаметр сфер: 530

нм;
упаковка: ГЦК

Модель МИО в CST Microwave Studio

Слайд 46

Фотонный кристалл на основе ZnO Подложка: Si; Толщина подложки: 100нм; Высота

Фотонный кристалл на основе ZnO

Подложка: Si;
Толщина подложки: 100нм;
Высота цилиндра:100нм;
Радиус цилиндра: 40

нм.

Рассчитанные спектры пропускания и отражения ФК на основе ZnO при различных углах падения излучения

Спектры вблизи зоны экситонной люминесценции

α

Слайд 47

Фотонная запрещенная зона ФК на основе GaAs Спектры отражения и пропускания

Фотонная запрещенная зона ФК на основе GaAs

Спектры отражения и пропускания ФК

на основе GaAs с a) квадратной и b) гексагональной упорядоченностью

a)

b)

Слайд 48

Спектры GaAs при изменении радиуса отверстий Квадратная решетка Гексагональная решетка Период

Спектры GaAs при изменении радиуса отверстий

Квадратная решетка

Гексагональная решетка

Период структуры: 390 нм

При

увеличении радиуса отверстий положение ЗФЗ для обоих типов упорядоченности смещается в область более коротких длин волн.
Слайд 49

Волноводы на основе GaAs 2000 нм 1364 нм 1550 нм 1550

Волноводы на основе GaAs

2000 нм

1364 нм

1550 нм

1550 нм

Период: 450 нм; диаметр

отверстий: 290 нм.

0,28 ≤ а/λ ≤ 0,3
0,5а ≤ d ≤ 0,95а