Fotonik Kristal Nedir?

Fotonik bant aralığı malzemeleri olarak da bilinen fotonik kristaller, bir bilgisayar çipindeki yarı iletkenler gibi bazı elektronik enerji bantlarını seçerek sağlayan, aynı zamanda ışığın dalga boylarını seçici olarak yönlendirebilen periyodik nanoyapılardır. “Bandgap” terimi, yalnızca içinden geçen ışığın spektral bandındaki boşlukları ifade eder. Örneğin bir gökkuşağı, bant boşluklarından yoksundur, çünkü su saydamdır ve herhangi bir belirli frekansı absorbe etmez. Bir fotonik kristalin içinden geçen bir gökkuşağı, kristal içindeki belirli nano yapıya bağlı olarak seçici boşluklara sahip olacaktır.

Bir fotonik kristalin yapısına yaklaşan birkaç doğal malzeme vardır. Bunlardan biri değerli taş opal. Gökkuşağı benzeri yanardönerliği, içindeki periyodik nanoyapılardan kaynaklanır. Nano yapının periyodikliği, hangi ışığın dalga boylarına izin verildiğini ve hangilerinin izin verilmediğini belirler. Yapının periyodu, içinden geçen ışığın dalga boyunun yarısı kadar olmalıdır. Dalgaboyu izin verilen dalga boyları “modlar” olarak bilinirken, yasaklanan dalga boyları fotonik bant boşluklarıdır. Bir opal gerçek bir fotonik kristal değildir, çünkü tam bir bant boşluğuna sahip değildir, ancak bu makalenin amaçları için yeterince yaklaşır.

Bir fotonik kristal içeren doğal olarak ortaya çıkan bir başka materyal, Morpho cinsi gibi bazı kelebeklerin kanatlarıdır. Bunlar güzel mavi yanardöner kanatlara yol açar.

Fotonik kristaller ilk olarak 1887'de ünlü İngiliz bilim adamı Lord Raleigh tarafından çalışıldı. Bragg aynası adı verilen sentetik bir boyutlu fotonik kristal, çalışmalarına konu oldu. Bragg aynasının kendisi iki boyutlu bir yüzey olsa da, yalnızca bir boyutta bant aralığı efekti üretir. Bunlar, yansıma bandının fotonik bant boşluğuna karşılık geldiği yansıtıcı kaplamalar üretmek için kullanılmıştır.

Yüz yıl sonra, 1987'de, Eli Yablonovitch ve Sajeev John, aynı anda birkaç farklı yönde bant boşlukları üretecek olan iki ya da üç boyutlu fotonik kristallerin olasılığını öne sürdüler. Bu tür malzemelerin LED'ler, optik fiber, nanoskopik lazerler, ultra ince pigment, radyo antenleri ve reflektörler ve hatta optik bilgisayarlar gibi optik ve elektronik alanında sayısız uygulamaya sahip olacağı hemen anlaşıldı. Fotonik kristallerde araştırmalar devam etmektedir.

Fotonik kristal araştırmalarındaki en büyük zorluklardan biri, bant aralığı efekti üretmek için gereken küçük boyut ve hassasiyettir. Dönem nanoyapılı kristalleri sentezlemek, fotolitografi gibi günümüz üretim teknolojilerinde oldukça zordur. 3-D fotonik kristalleri tasarlanmış, ancak sadece son derece sınırlı bir ölçekte üretilmiştir. Belki aşağıdan yukarıya üretim veya moleküler nanoteknoloji ile birlikte, bu kristallerin seri üretimi mümkün olacaktır.