フォトニック結晶とは何ですか？

フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップ材料とも呼ばれ、特定の電子エネルギーバンドを選択的に通過させるコンピューターチップ上の半導体とほぼ同じ方法で、光の波長を選択的に誘導できる周期的なナノ構造です。 「バンドギャップ」という用語は、単に光が通過するスペクトル帯域のギャップを指します。 たとえば、虹にはバンドギャップがありません。水は透明で、特定の周波数を吸収しないためです。 フォトニック結晶を通過する虹には、結晶内の特定のナノ構造に応じて選択的なギャップがあります。

フォトニック結晶の構造に近い天然素材がいくつかあります。 それらの1つは宝石のオパールです。 その虹のような虹色は、内部の周期的なナノ構造によって引き起こされます。 ナノ構造の周期性により、どの波長の光が許可され、どの波長が許可されないかが決まります。 構造の周期は、通過できる光の波長の半分でなければなりません。 通過が許可される波長は「モード」として知られていますが、禁止波長はフォトニックバンドギャップです。 オパールは完全なバンドギャップを欠いているため、本当のフォトニッククリスタルではありませんが、この記事の目的には十分に近いものです。

フォトニック結晶を含む別の天然素材は、モルフォ属などのいくつかの蝶の羽です。 これらは美しい青い虹色の羽を生みます。

フォトニック結晶は、1887年に英国の有名な科学者であるローリーLordによって最初に研究されました。ブラッグミラーと呼ばれる合成1次元フォトニック結晶が彼の研究の主題でした。 ブラッグミラー自体は2次元の表面ですが、1次元でのみバンドギャップ効果を生成します。 これらは、反射バンドがフォトニックバンドギャップに対応する反射コーティングの製造に使用されています。

100年後の1987年に、Eli YablonovitchとSajeev Johnは、2次元または3次元のフォトニック結晶の可能性を提案しました。 このような材料は、LED、光ファイバー、ナノスコピックレーザー、超白色顔料、ラジオアンテナおよび反射器、さらには光学コンピューターなど、光学および電子機器に数多くの用途があることがすぐにわかりました。 フォトニック結晶の研究が進行中です。

フォトニック結晶の研究における最大の課題の1つは、バンドギャップ効果の生成に必要な小さなサイズと精度です。 周期的なナノ構造を持つ結晶の合成は、フォトリソグラフィなどの現在の製造技術では非常に困難です。 3-Dフォトニック結晶は設計されていますが、非常に限られた規模でのみ製造されています。 おそらくボトムアップ製造、または分子ナノテクノロジーの出現により、これらの結晶の大量生産が可能になるでしょう。