Лекцияны ң мақсаты:

Фотондық кристалдардың негіздерін және периодты кристалдық ортадағы электрондармен ұқсастықтарды зерттеу, осы материалдардың негізгі қасиеттерін түсіну және олардың қолданылуын және фотондық кристалдар мен фотондық метаматериалдар арасындағы айырмашылықтарды білу.

Жоспар:

1. Фотонды кристалдарға кіріспе:

2. Кристалдық ортадағы электрондармен ұқсастық:

3. Бүргенің фотондық функциялары:

4. Әр түрлі өлшемдегі фотонды кристалдар:

5. Фотонды кристалдардың қолданылуы және олардың перспективалары

Бейорганикалық наноматериалдар

Бейорганикалық наноматериалдар көміртегі жоқ заттар болып табылады және олардың әртүрлі қолданбалар үшін өте құнды ететін бірнеше ерекше қасиеттері бар. Бұл материалдар әдетте гидрофильді, улы емес және тірі жүйелермен биоүйлесімді болып табылады, бұл оларды биологиялық және медициналық салаларда қолдануға қауіпсіз етеді. Сонымен қатар, Бейорганикалық нанобөлшектердің тұрақтылығы әлдеқайда оңай ыдырайтын органикалық нанобөлшектердің тұрақтылығынан асып түседі.

Бейорганикалық наноматериалдардың маңызды түрлерінің бірі-магниттік нанобөлшектер (mNPs). Бұл нанобөлшектерде көбінесе магнит ядросы болады, олар әдетте маггемит (γ-Fe₂o.) немесе магнетит (Fe₃O₄) сияқты материалдардан тұрады. Никель және кобальт сияқты басқа металдар да қолданылады, бірақ олардың уыттылығы мен тотығу бейімділігіне байланысты қолданылуы шектеулі.

Адам ағзасында ферритин деп аталатын маңызды ақуыз Темірдің көпшілігінің сақтау орны ретінде қызмет етеді. Темір оксидінің магниттік нанобөлшектері артық темірді сіңіруге және ағзадағы темір деңгейін қалпына келтіруге көмектеседі. Бұл нанобөлшектер эндосомаларда үнемі кездеседі-жасушаның қоректік заттар мен басқа заттарды сіңіруінде шешуші рөл атқаратын жасушалық құрылымдар. Уақыт өте келе, эндосома мен лизосомадағы (жасушалық ас қорыту аппараты) жасушадан кейінгі сіңіру процесінде темір мен оттегі сияқты элементтер дененің сақтау жүйесіне тасымалданады, оларды гидролитикалық ферменттер қолдана алады немесе қорытады.

Гомеостаз-бұл организмдегі темір деңгейін ұстап тұру және реттеу процесі. Бұл темірді адсорбциялау, шығару және сақтау сияқты әртүрлі процестерді қамтиды. Темір оксидінің магниттік нанобөлшектері денеге артық темірді өңдеуге көмектесуде маңызды рөл атқарады.

Темір барлық дерлік биологиялық ұлпалар үшін маңызды элемент болып табылады, бірақ ол еркін түрде жақсы сіңірілмейді. Ол бос темір түрінде болғанда (гемоглобин сияқты ақуыздармен байланыспаған), ол тотығу зақымдану қабілетіне байланысты жасушаларға зиянды болуы мүмкін. Алайда, дұрыс басқарылған кезде темір Өмір үшін қажет. Темір оксидінің нанобөлшектері денеге темірді қауіпсіз өңдеуге және сақтауға көмектеседі, бұл оның жалпы темір гомеостазына ықпал етеді.

Металл наноматериалдар

Металл нанобөлшектерін металдардан құрылымдық немесе деструктивті механизмдер арқылы синтездеуге болады. Таза металл нанобөлшектерін жасау үшін өндіріс процесі үшін металл прекурсорлар қажет. Металл нанобөлшектерінің плазмалық резонанстық сипаттамаларына жатқызуға болатын бірегей оптоэлектрлік қасиеттері бар.

Металл нанобөлшектердің мөлшері, пішіні және беті оларды синтездеу процесінде маңызды рөл атқарады. Барлық металл нанобөлшектерді синтездеуге болады. Кадмий, алюминий, мыс, күміс, қорғасын, кобальт, мырыш, алтын және темір сияқты металдардың нанобөлшектері осы элементтердің белгілі нанобөлшектерінің мысалдары болып табылады.

Нанобөлшектерді кішірек өлшемдерімен (10-нан 100 нм-ге дейін), кеуек мөлшері, беттік заряд, сыртқы факторлар, бетінің көлемдік қатынасы, құрылымы (аморфты және кристалды), пішіні (тұрақты емес, шыбықтар түрінде, сфералық, цилиндрлік, тетрагональды және алтыбұрышты), тығыздығы сияқты беттік қасиеттерімен анықтауға болады беттік заряд және түс. Нанобөлшектер әртүрлі салаларда (ауа, жылу, ылғал, күн сәулесі) қолданудың кең ауқымын көрсетті.

Медицина саласында мырыш, алтын, күміс, платина, темір және мыс нанобөлшектері және басқа металл нанобөлшектері айтарлықтай назар аударды. Сатянаранан (2013) көрсеткендей, металл нанобөлшектері ерітіндіде болуы мүмкін. Кейінірек, 2019 жылы Салас және оның әріптестері металл нанобөлшектердің түсі мен пішінін зерттейтін зерттеу жүргізді. Қазіргі уақытта антиденелердің нанобөлшектермен байланысуына көмектесетін химиялық топтарды өзгертуге болады, бұл өндіріс процесінде жақсартуға мүмкіндік береді.

Нобель металл нанобөлшектері қатерлі ісіктерді емдеу, ауруларды диагностикалау, радиотерапияның тиімділігін арттыру, микроорганизмдер мен саңырауқұлақтармен күресу, термиялық абляцияны орындау, дәрі-дәрмектерді жеткізу және генді тасымалдау (мысалы, Au, Pt, Ag) сияқты әртүрлі биомедициналық қолданбаларда қолданылған. Асыл металдардың нанобөлшектері олардың құндылығын едәуір арттыратын бірқатар ерекше қасиеттерге ие. Жасуша түрлерінің кең ауқымын нысанаға алу үшін металл нанобөлшектерді антиденелер, пептидтер, ДНҚ және РНҚ сияқты әртүрлі функционалдық топтар, сондай-ақ полиэтиленгликоль сияқты биоүйлесімді полимерлер функционализациялауы мүмкін.

Металл оксиді наноматериалдары

Металл оксиді наноматериалдарын өндірудегі негізгі мақсат-тиісті металл наноматериалдарының қасиеттерін өзгерту. Мұның бір мысалы - темір нанобөлшектерін темір оксиді нанобөлшектеріне айналдыру. Темір нанобөлшектері мен темір оксиді нанобөлшектерінің реактивтілігін салыстырған кезде соңғысының реактивтілігі айтарлықтай жоғары болады. Металл оксидінің нанобөлшектері металл оксидінің тиімділігі мен реактивтілігі жоғарылағанда пайда болады. Бұл нанобөлшектердің пайда болуына әкеледі.

Металл оксиді наноматериалдарының мысалдарына мырыш оксиді, темір оксиді, кремний диоксиді, магнетит, титан оксиді, алюминий оксиді және церий оксиді жатады. Металл оксидінің нанобөлшектері биомедициналық зерттеулерде жігерлендіретін нәтижелер көрсетті. Бактерияға қарсы белсенділік металл оксидтерінің нанобөлшектерінің кең ауқымы үшін көрсетілді, соның ішінде, бірақ олармен шектелмейді, MnO₂, FeO, Ag₂O, ZnO, Bi₂o., CuO, CaO, al₂o,, MgO және TiO₂.

Сигмунд және оның әріптестері (2006) жүргізген зерттеулер Ag₂O нанобөлшектері антибиотиктердің жаңа көзі бола алатынын көрсетті. Томас және бірлескен авторлар (2015) сонымен қатар Ag₂O нанобөлшектерінің E. coli-ге қарсы бактерияға қарсы белсенділігі бар екенін көрсетті. Мырыш оксидінің нанобөлшектері грам-позитивті және грам-теріс бактериялар мен спораларға қарсы күшті бактерицидтік белсенділікті көрсетті. Жоғары қысым мен температура бұл бактериялар мен спораларға аз әсер етеді.

Сонымен қатар, Фадеель және оның әріптестері (2010) бөлшектердің әртүрлі өлшемдерінде ZnO Бактерияға қарсы қасиеттерін зерттеді. Алынған мәліметтерге сәйкес, ZnO нанобөлшектерінің бактерицидтік тиімділігі бөлшектердің мөлшерінің төмендеуіне пропорционалды түрде өсті. Акиф және бірлескен авторлар (2022) ZnO, Fe₂o на және CuO нанобөлшектерінің P. aeruginosa, E. coli сияқты грам-теріс бактерияларға, сондай-ақ Bacillus subtilis және Staphylococcus aureus сияқты грам-оң бактерияларға Бактерияға қарсы әсерін зерттеді. Олар барлық үш нанобөлшек бактериялардың өсуін тежеді деген қорытындыға келді. Осы мәліметтерге сәйкес, ZnO күшті микробқа қарсы әсерге ие, ал fe₂o на нанобөлшектері бактерияларға қарсы ең аз тиімді болып шықты.

Керамикалық наноматериалдар

Керамикалық нанобөлшектерді кейбір шеңберлерде металл емес қатты заттар деп те атайды. Керамикалық нанобөлшектерді синтездеу процесі материалды мезгіл-мезгіл қыздыруды немесе салқындатуды қамтиды. Керамикалық нанобөлшектердің әртүрлі құрылымдары болуы мүмкін, соның ішінде аморфты, поликристалды, тығыз, қуыс немесе кеуекті. Бұл нанобөлшектер фотокатализ, бояғыштардың фотодеградациясы, бейнелеу және катализді қоса алғанда, оларды қолдану арқылы қол жеткізуге болатын кең ауқымды қолданбалардың арқасында зерттеушілерді қызықтырады.

Биомедицинада әлеуетті қолданылуы бар инновациялық Керамикалық материалдарды зерттеу және әзірлеу қазір қарқынды дамып келеді. Биологиялық жүйелердегі титан оксиді (TiO₂), гидроксиапатит (HA), алюминий оксиді (Al₂O₃), кремний оксиді (SiO₂) және цирконий оксиді (ZrO₂) сияқты нанокерамикалық материалдардың цитоуыттылығын төмендету үшін олардың физика-химиялық сипаттамаларын оңтайландыру үшін жаңа синтетикалық әдістер қолданылды. Алайда, жаңа Керамикалық материалдарды пайдалану кезінде иелер жағымсыз реакцияларға ие болды (бірқатар органдарда, соның ішінде иммундық жүйеде).

Керамикалық нанобөлшектерді биомедицинада қолдануға келетін болсақ, дәрі — дәрмектің реттелетін бөлінуі ең көп назар аударған салалардың бірі болып табылады. Бұл салада мөлшері мен дозасы өте маңызды рөл атқарады. Нанобөлшектер бірқатар қасиеттерге, соның ішінде олардың жүктеме қабілетіне, жоғары тұрақтылығына және гидрофильді және гидрофобты жүйелерде оңай сіңуіне байланысты дәрі-дәрмектерді жеткізудің перспективалық әдісін ұсынады. Сонымен қатар, нанобөлшектерді әртүрлі жолдармен енгізуге болады (ингаляция, ауызша қабылдау және т.б.). Олардың бетінде жұмыс істей алатын органикалық топтардың кең ауқымы да белгілі бір әсерге қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Титан диоксиді (TiO₂) - әртүрлі кристалдық құрылымдардың арқасында диэлектрлік және оптикалық қасиеттерінің кең спектрі бар фотокаталитикалық зат. Титан диоксиді нанобөлшектері наноөлшемді деңгейде анатаза түрінде тұрақты, бірақ олардың максималды цитоуыттылығы 3-тен 10 нм-ге дейін, бұл рутил үшін бұл көрсеткіштен 100 есе көп. Мұндай нанобөлшектер дәрі-дәрмектерді шығаратын тасымалдаушылар ретінде немесе фармакология саласындағы көмекші формулалар ретінде үнемі қолданылады. Шын мәнінде, олар фотодинамикалық терапияда белсенді қолданылады, өйткені олар оттегін фотоқышқылдандыру қабілетіне ие.

Сонымен қатар, нанобөлшектердің цитоуыттылығы басқа заттармен, мысалы, гидроксиапатитпен біріктірілгенде төмендейді. Фармацевтикалық белсенді мезопорозды кремний молекулалары бірқатар негізгі қасиеттерге ие, олардың арасында перспективалы дәрі — дәрмектердің автоматты түрде бөлінуі, ерудің қарапайымдылығы және олардың организмде болуы.

Синтез жағдайындағы шамалы өзгерістердің өзі әртүрлі пішіндердің, өлшемдердің және кейінгі физика-химиялық қасиеттердің пайда болуына әкелуі мүмкін болғандықтан, биоүйлесімділікті біріктіретін және Биологиялық жүйелердегі осы нанобөлшектердің зиянды әсерін азайтатын стратегияларды әзірлеу өте қиын. Бұл биоүйлесімді материалдарды нанобөлшектермен біріктіре алатын әдістерді жасауды қиындатады, бұл өз кезегінде биоүйлесімділікті физика-химиялық қасиеттермен біріктіретін жолдарды табуды қиындатады.

### Бионаматериал дар

Биологиялық немесе био-наноматериал-бұл биологиялық жүйеде өндірілген атомдардың немесе молекулалардың жиынтығы, бұл материалдың кем дегенде бір өлшемі 1-ден 100 нм-ге дейін болуы керек. Бөлшектердің бұл түрі үшін Био-наноматериал немесе биологиялық наноматериал терминдерін де қолдануға болады. Табиғатта кездесетін нанобөлшектерді бионобөлшектер деп атайды. Бұл нанобөлшектер орналасуына байланысты жасушадан тыс немесе жасушаішілік құрылымға ие болуы мүмкін.

Магнетосомалар жасушаішілік құрылымның мысалы болып табылады, ал вирустар мен липопротеидтер жасушалардан тыс құрылымдардың мысалдары болып табылады. Био нано бөлшектерге экзосомалар, магнетосомалар, липопротеидтер, вирустар және ферритин жатады.

Көміртекті наноматериалдар

Көміртекті материалдар соңғы жылдары көміртектің аллотропты түрлерінің алуан түрлілігінің арқасында үлкен мәнге ие болды. Бұл формалар аморфты көміртек, графит және көміртек сияқты белгілі аллотроптардан графен кванттық нүктелері (GQDs), фуллерендер, графен оксиді (GO) және көміртекті нанотүтікшелер (cnts) сияқты жаңадан ашылған аллотроптарға дейін. Аморфты көміртек-көміртектің ең көп таралған түрлерінің бірі.

Көміртекті нанотүтіктерді екі түрге бөлуге болады: бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшелер (SWCNTs) және көп қабырғалы көміртекті нанотүтікшелер (MWCNTs). Көміртекті нанотүтік-графит парақтарынан тұратын қуыс цилиндр. Жоғары аспектілік қатынасы бар бір графитті парақты орналастыру кезінде цилиндрлік наноқұрылымы бар бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшелер алынды. Көп қабырғалы көміртекті нанотүтік әр қабат арасында 3,4 ангстром аралығы бар спираль түрінде орналасқан бірнеше графит қабаттарынан тұрады.

Графеннің бірқатар ерекше қасиеттері бар, олардың әрқайсысы оны биологиялық технологияда қолдану үшін құнды ете алады. Графеннің қарапайым функционализациясы оның бетіндегі функционалды топтардың санын көбейтуге мүмкіндік береді, бұл әртүрлі биологиялық компоненттерді дәл және таңдамалы түрде анықтауға мүмкіндік береді. Графен сонымен қатар өте үлкен бетінің, химиялық тазалығының және бос электрондардың болуына байланысты дәрі-дәрмектерді жеткізудің тамаша таңдауы болып табылады, бұл оны фармацевтикалық препараттарды енгізудің тамаша баламасы етеді.

Жақында дамыған көміртегі тобының тағы бір перспективалы биоматериалы-графен кванттық нүктелері (GQDs). Бұл нүктелердің көлденең өлшемдері 100 нм-ден аз және көміртек атомдарының бір қабатынан немесе бірнеше қабаттарынан тұрады. Олар нөлдік өлшемді графен парақтары ретінде сипатталады. Екі өлшемді графен парақтарын графен кванттық нүктелеріне түрлендіру кезінде пайда болатын кванттық шектеудің арқасында олардың фотолюминесценттік қасиеттері ерекше деңгейге дейін жақсарады.

Бір таңқаларлығы, графен кванттық нүктелері дәстүрлі флюорохромдармен немесе жартылай өткізгіш кванттық нүктелермен салыстырғанда тамаша биоүйлесімділік пен фотоблекуляцияға төзімділікті көрсетеді. Бұл графен кванттық нүктелерінің табиғи материалдардан жасалғандығына байланысты. Сонымен қатар, графен кванттық нүктелері графеннің маңызды қасиеттеріне ие, мысалы, қол жетімді электрондар және үлкен бет. Бұл қасиеттер графен кванттық нүктелерін биомолекулалық сенсорларды, қатерлі ісік терапиясын, бейнелеуді, мақсатты дәрі-дәрмектерді жеткізуді және т.б. қоса алғанда, әртүрлі биомедициналық қолданбалар үшін перспективалы наноматериалға айналдырады.

Көміртекті наноматериалдар тек көміртектен тұрады. Көміртекті нанобөлшектерге көміртекті нанотүтікшелер, графен, көміртекті нанобөлшектер, фуллерендер және көміртекті қара жатады.

Фуллерен

Фуллерен жасуша түріндегі жоғары симметриялы құрылымға ие, оның мөлшері C60, C70 немесе одан да көп болуы мүмкін, оның ерекше құрылымы C2-көміртекті атомдардан тұрады. Синтезделген түрде ең көп тарағаны-C60, оның молекулалық құрылымы суретте көрсетілген. C70 - пен бірге өте ұқсас.

C60 бір C5–C5 байланыстарымен байланысқан 60 көміртек атомынан тұрады, нәтижесінде 12 бесбұрыш және 20 алтыбұрышты құрайтын C5–C6 қос байланыстары пайда болады. Шын мәнінде, құрамында 2n + 20 көміртек атомы бар әрбір фуллереннің «N» алтыбұрыштары бар.

Фуллерен C60 футбол добының пішініне ие және Ядаф пен әріптестерінің зерттеуі бойынша Жердің диаметрі 12,75 × 106 метр, футбол добының диаметрі 2,2 × 101 метр, ал фуллерен молекуласының диаметрі 7,0 × 10-10 метр. Зерттеу нәтижелері бойынша фуллерен молекуласының футбол допына қатынасы футбол добының жерге қатынасына ұқсас.

Асқын өткізгіштер

Асқын өткізгіштер-бұл нөлдік кедергісі бар материалдар. Олар өздерінің практикалық қосымшалары арқылы көпшілікке таныс және мәтіннің бірнеше бөлімінде айтылған. Асқын өткізгіштердің кедергісі нөлге тең болғандықтан, олар ток өткен кезде жылу түрінде энергия жоғалтпайды. Асқын өткізгіштер магниттік резонанстық томографтар (МРТ) сияқты жоғары токтарды қажет ететін магниттерде қолданылады және электр энергиясын беру кезінде энергия шығынын азайта алады. Алайда, асқын өткізгіштердің көпшілігін температураға дейін салқындату керек, тек бірнеше Кельвин абсолютті нөлден жоғары, бұл қымбат процесс және олардың практикалық қолданылуын шектейді.

Соңғы онжылдықтарда салыстырмалы түрде жоғары температурада асқын өткізгіштерге айналатын материалдарды жасауда үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Болашақта бөлме температурасында жұмыс істейтін асқын өткізгіштерді құруға болады деген үміт бар.

Асқын өткізгіштікті 1911 жылы голландиялық физик х.Камерлинг-Оннес (1853-1926) сынап салқындату үшін сұйық гелий қолданған кезде кездейсоқ ашты. Камерлинг-Оннес бірнеше жыл бұрын гелийді сұйық күйге дейін салқындата алған алғашқы адам болды және орташа өткізгіш болған сынаптың кедергісі 4,2 к температурада нөлге дейін төмендегенін көріп таң қалды.. 1).

Материалдың асқын өткізгішке қалай және неге айналатынын түсінудегі Прогресс салыстырмалы түрде баяу болды және алғашқы жұмыс теориясы 1957 жылы енгізілді. Сондай-ақ, басқа элементтер асқын өткізгіштерге айналуы мүмкін екендігі анықталды, бірақ олардың барлығында критикалық температура (Tc) 10 К-ден төмен болды, бұл оларды ұстап тұруды қымбатқа түсірді. Камерлинг-Оннес 1913 жылы Нобель сыйлығын алғанымен, ол ең алдымен сұйық гелиймен жұмыс істегені үшін берілді.

Жоғары температуралы асқын өткізгіштер саласындағы жетістік

1986 жылы серпіліс жарияланды-табылды керамикалық бұрын-соңды болмаған критикалық температурасы бар қосылыс (Tc) 35 К. бұл әлдеқайда жоғары критикалық температура болуы мүмкін дегенді білдірді және 1988 жылдың басында Tc бар тағы бір керамикалық қосылыс (құрамында таллий, кальций, барий, мыс және оттегі бар) табылды = 125 к (суретті қараңыз. 2). Электр энергиясын үнемдей алатын тамаша өткізгіштердің экономикалық әлеуеті 77 к-ден жоғары TC асқын өткізгіштер үшін өте үлкен, өйткені бұл температура сұйық азоттың қайнау температурасына сәйкес келеді.

Сұйық гелийдің қайнау температурасы 4 к болса да, материалдарды асқын өткізгіш күйге дейін салқындату үшін қолдануға болады, бірақ оның құны литріне шамамен 5 долларды құрайды. Сұйық азот 77 К температурада қайнайды, бірақ литріне шамамен 0,30 доллар тұрады. Мұндай деректердің фонында осы күрделі керамикалық асқын өткізгіштердің ашылуына қатысты жалпы эйфория болды, бірақ көп ұзамай бұл ынта оларды қолдануға болатын сымдарға айналдырудың қиындығын түсінумен ауыстырылды.

Жоғары температуралы асқын өткізгіштің алғашқы коммерциялық қолданылуы ұялы телефондарға арналған электронды сүзгіге байланысты болды. Жоғары температуралы асқын өткізгіштер эксперименттік қондырғыларда қолданылады және әсіресе жұқа пленкаларды қолдану саласында зерттеулер белсенді жүргізілуде.

Одан да Жоғары критикалық температурасы (Tc) бар асқын өткізгіштерді іздеу

Одан да Жоғары критикалық температурасы (Tc) асқын өткізгіштерді іздеу жалғасуда, олардың көпшілігі күрделі және экзотикалық керамикалық Мыс қосылыстары (мыс оксидтері), кейде стронций, сынап немесе иттрий, сондай-ақ барий, кальций және басқа элементтер қосылған. Бөлме температурасындағы температура өте қолайлы болар еді (шамамен 293 к), бірақ бөлме температурасына жақын кез келген температураны өндіру және ұстау салыстырмалы түрде арзан болар еді.

TC 200 к-ден асатын және кейбіреулері 270 К-ге жуық асқын өткізгіштер туралы тұрақты есептер бар, өкінішке орай, бұл бақылаулар әрдайым қайталанбайды, өйткені үлгілер бірнеше қыздыру және салқындату циклдарынан кейін асқын өткізгіштік қасиеттерін жоғалтады (сурет. 3). Мұндай үлгілер қазір uso (белгісіз асқын өткізгіш нысандар) деп аталады, бұл кейбір үлгілердің басқалар сияқты өндірілгеніне қарамастан, жоғары Tc көрсетуден көңілі мен бас тартуын көрсетеді. Репродуктивтілік ғылыми жаңалықтың маңызды элементі болып табылады және зерттеушілер бәрі күткен серпіліс туралы айтуға уақыт бөледі. USO-ның нақты асқын өткізгіштер екенін немесе бұл жай ғана эксперименттік құбылыс екенін уақыт көрсетеді.

Фотонды кристалдар

Фотонды кристалдар-бұл периодты наноқұрылымы бар оптикалық орта, әдетте сыну көрсеткішінің периодты өзгеруі, мұнда оптикалық толқын ұзындығының реттік өзгеру кезеңдері. Кейбір жағдайларда сыну көрсеткішінің айтарлықтай контрасты бар, мысалы, шыны немесе жартылай өткізгіш пен ауа арасында, бірақ басқа жағдайларда контраст айтарлықтай төмен болуы мүмкін. Фотонды кристалдардың кейбір көрнекті қасиеттері — мысалы, толық фотонды жолақтар — негізінен сыну көрсеткішінің үлкен контрасты болған кезде пайда болады. Сондықтан кейбір зерттеушілер тиімді фотонды кристалдар үшін сыну көрсеткіштерінің үлкен контрастын талап етуді ұсынады.

Зерттеудің бұл саласы іргелі ғылым үшін де, практикалық қолдану үшін де үлкен маңызға ие. Оның негізін қалаушылар-Эли Яблонович (ол бұл терминді де енгізген) фотондық кристалдар) және Саджив Джон, әрі қарай көптеген ғалымдар зерттеу жұмыстарын жалғастырды. Лорд Релей 1887 жылы бір өлшемді периодты құрылымдарды (Браггтың шағылыстыратын айналары сияқты көп қабатты диэлектрлік стек жабындары) ерте зерттеу жүргізді. Фотонды кристалдар негізінен заманауи технологияларда зерттелгеніне қарамастан, мұндай құрылымдарды табиғатта да кездестіруге болады. Мысалы, кейбір минералдар (мысалы, опал) және көбелектің қанаттары сияқты тірі организмдер ұқсас фотондық құрылымдарға ие.

Фотонды метаматериалдармен салыстыру

Фотонды кристалдар мен фотонды метаматериалдар арасында айқын ұқсастық бар. Соңғысы, әдетте, оптикалық әсерлерге әсер ететін құрылымдардың мерзімді орналасуын қамтиды. Фотонды кристалдардан айырмашылығы, фотонды метаматериалдар субтолқынды масштабта құрылымдалған, бұл құрылымдарды оптикалық өрістер үшін біркелкі етеді. Фотонды метаматериалдардың көрнекті қасиеттері фотонды тыйым салынған аймақтар арқылы емес, сыну көрсеткішінің ерекше мәндері арқылы түсіндіріледі.

Кристалдық ортадағы электрондармен ұқсастық

Бүргенің электрондық күйлері мен функциялары

20 ғасырдың басында электр және жылу өткізгіштік, оптикалық өткізгіштік немесе сіңіру сияқты қатты заттардың көптеген негізгі қасиеттері әлі де жеткілікті түрде зерттелмеген. Кристалдық материалдардағы атом ядроларының мерзімді орналасуы нәтижесінде пайда болатын периодты электростатикалық потенциалдардағы электрондардың толқындық функцияларын қарастыру арқылы айтарлықтай прогреске қол жеткізілді.

Егер біз шексіз үлкен кристалды қарастыратын болсақ, онда бүрге функциялары мен энергия мәндерінің үздіксіздігі алынады.

Энергетикалық аймақтар және тыйым салынған аймақтар

Бүргенің әрбір күйі толығымен делокализацияланған, яғни бұл күйдегі электрон белгілі бір Атом ядросына байланбайды және оны бүкіл кристалдың кез келген нүктесінде табуға болады. Локализацияланған электрондық күйлер тек тор ақауларынан туындайды.

Өз күйіндегі э лектрон бұл күйде шексіз қалады, егер қосымша әсерлер аймақ ішінде де, аймақтар арасында да күйлер арасындағы ауысуларға әкелмесе. Бұл ауысулар стихиялық сәулелену, жарықты сіңіру, ынталандырылған сәулелену, фонондармен өзара әрекеттесу немесе тор ақаулары сияқты құбылыстардан туындауы мүмкін.

Электрондық күйлердің салдары

Электрондық құрылым үшін кейбір маңызды салдарға, әсіресе Паули принципімен үйлескенде, мыналар жатады:

Жарықты сіңіру: сызықтық режимде жарықты сіңіру фотонның энергиясы толтырылған бастапқы күйдің толтырылмаған жоғары орналасқан күйге қосылуына сәйкес келген жағдайда ғана мүмкін болады. Толқындық векторларға қатысты шектеулер де бар: Бастапқы және соңғы энергия күйлері ұқсас толқындық векторларға ие болуы керек, өйткені инфрақызыл, көрінетін немесе ультракүлгін диапазондағы фотондардың толқындық векторлары өте аз.

Өздігінен және ынталандырылған сәулелену: бұл процестер электрондардың төменгі энергетикалық күйлерге ауысуына әкеледі.

Электр өткізгіштік: толық толтырылған аймақтар электр өткізгіштігіне ықпал ете алмайды, өйткені халық деңгейін қайта бөлу мүмкін емес. Металдарға тән жартылай толтырылған аймақтар электр және жылу өткізгіштікке ықпал етуі мүмкін.

Жылу және электр өткізгіштігі: металдарда бұл параметрлер өте жоғары болуы мүмкін, бірақ олар шашырауды тудыратын тор ақауларына байланысты айтарлықтай төмендейді.

Оқшаулағыштардың, жартылай өткізгіштердің және металдардың қасиеттері: бұл қасиеттерді электронды аймақ құрылымымен түсіндіруге болады.

Мерзімді ортадағы фотондық күйлер

Фотоникада біз мезгіл-мезгіл өзгеретін сыну көрсеткіші немесе диэлектрлік тұрақтысы бар мерзімді фотонды наноқұрылымда жарықтың (электромагниттік толқындардың) таралуы туралы айтып отырмыз. Қатты күйдегі физикадағыдай, фотондық жүйелерде де бүрге толқындары бар екенін көрсетуге болады, бірақ қазір функциялар электрондардың толқындық функцияларын емес, электр өрісінің амплитудасын сипаттайды.

Электрондық және фотондық күйлер арасындағы негізгі айырмашылықтар

1. Скалярларға қарсы. Векторлық өрістер: электрондардың толқындық функциялары скаляр болса, Фотон жүйесіндегі электр өрісі векторлық болып табылады, яғни поляризациялық күйлер де маңызды рөл атқарады.

2. Электрондар арасындағы өзара әрекеттесу: электрондар арасындағы кейбір өзара әрекеттесулерді ескере отырып, электронды күйлердің сипаттамасы көбінесе дұрыс емес. Алайда, бұл сұрақ фотонды кристалдарда пайда болмайды.

3. Масса: электрондардың фотондарға қарағанда массасы бар, бұл олардың вакуумдағы дисперсиялық қатынастарындағы айырмашылықтарға әкеледі.

4. Бозондар мен фермиондар: фотондар-бозондар, ал электрондар — фермиондар, бұл күйлердің ықтимал жұмыспен қамтылуына маңызды әсер етеді.

Осы айырмашылықтарға қарамастан, кристалдық материалдардағы электронды күйлерді зерттеуден алынған көптеген идеяларды фотондық жүйелерге қолдануға болады.

Бүргенің фотондық функциялары және тыйым салынған аймақтар

Қатты денелердегі электронды күйлерге ұқсас, мерзімді ортадағы фотондық күйлерді бүрге функциялары арқылы сипаттауға болады. Алынған фотондық аймақтық құрылымдар мынаны көрсетеді:

Фотонды тыйым салынған аймақтар (PBG) бар, онда жарық материал арқылы таралмайды. Бұл аймақтар жартылай өткізгіштердегі электронды жолақтарға ұқсас және PBG ішіндегі жиіліктер үшін жарық фотонды кристалмен шағылысады.

Қалыпты емес топтық жылдамдықтар: контурлар өте тегіс болатын фотонды аймақ құрылымының кейбір бөліктерінде топтық жарық жылдамдығы әдеттегі жарық жылдамдығынан айтарлықтай төмен болуы мүмкін.

Шекаралар және теріс сыну: Фотондық кристалдар кейбір метаматериалдарда байқалатын мінез-құлыққа ұқсас теріс сыну құбылыстарын көрсете алады.

Фотонды оқшаулағыштар: PBG бар материалдарды кейде фотонды оқшаулағыштар немесе фотонды жартылай өткізгіштер деп атайды.

Бір, екі және үш өлшемдегі фотонды кристалдар

Бір өлшемді фотонды кристалдар

Диэлектрлік көп қабатты әйнектер (Брагг айналары) сияқты бір өлшемді (1D) периодты құрылымдар 19 ғасырдың аяғында қолданылған. Бұл құрылымдарда Жарық қарама-қарсы бағыттарға таралады, сыну көрсеткішінің периодтық модуляциясымен байланысты.

Қарапайым жағдайда диэлектрлік тұрақтының синусоидалы модуляциясы фотонды жолақ аймағы бар аймақтық құрылымның пайда болуына әкеледі.

Бірнеше жұп қабаты бар Брагг айналары белгілі бір оптикалық толқын ұзындығын көрсете алады, жарықтың енуі тек белгілі бір диапазондарда жүреді (модуляция күшіне байланысты).

Екі өлшемді фотонды кристалдар

Екі өлшемді фотонды кристалдар екі кеңістіктік өлшемде периодты, үшінші өлшемде модуляциясыз. Мысалы, алтыбұрышты құрылымды қарастыруға болады, мұнда ауа саңылаулары құрылым арқылы шексіз үшінші бағытта өтеді. Мұндай құрылымдарды бір өлшемді кристалдармен салыстырғанда жарықты неғұрлым күрделі басқару үшін пайдалануға болады.

Фотонды кристалдар оптикалық коммуникациялардағы, сенсорлардағы және кескіндегі әлеуетті қолданбалармен жарықты басқаруға арналған қызықты және жан-жақты платформа болып табылады.