Фотоника и оптоинформатика

Динамическое рассеяние света. Если через слой нематиче-

ского ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией пропустить постоянный или переменный ток низкой частоты, то прозрачный слой ЖК мутнеет: происходит рассеяние света. Поскольку ЖК-ячейка довольно «толстая» (больше 6 мкм), разрушение ранее упорядоченной структуры и перевод слоя жидкости в состояние турбулентности, в котором осуществляется рассеяние света, требует приложения сильного электрического поля. При подмешивании холестерического ЖК нематический ЖК будет испытывать влияние со стороны «закрученной» структуры его молекул. Возникает динамическое рассеяние света, которое сохраняется даже после снятия электрического поля. Это состояние устраняется приложением высокочастотного электрического поля, в котором исчезает динамическое рассеяние.

Эффект электрического управления двулучепреломлением.

На ориентацию молекул ЖК оказывает влияние состояние поверхностей пластин ЖК-ячейки. Если пластины обработать по- верхностно-активным веществом, то, как показано на рис. 8.24, можно получить гомеотропную упаковку молекул, перпендикулярную пластинам, и гомогенную упаковку молекул, параллельную пластинам. Вне ЖК-ячейки скрещенно размещают поляризатор и анализатор. Для индикации используется свойство двойного лучепреломления. Свет, ставший линейно-поляризованным после прохождения поляризатора, становится эллиптически поляризованным после прохождения ЖК-ячейки, обладающей свойством двойного лучепреломления. Тем самым интенсивностью света, прошедшего через ЖК-ячейку, можно управлять с помощью приложенного электрического поля. Так как интенсивность проходящего света зависит от длины волны, то, изменяя напряжение, можно менять цветовой тон.

«Твист-эффект» реализуется при помощи однонаправленного натирания поверхностей пластин во взаимно перпендикулярных направлениях и введения нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией. Поскольку

171

молекулы жидкого кристалла между двумя пластинами оказываются скрученными на 90°, то происходит поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного света, прошедшего через ЖК-ячейку. Приложенное к электродам низкое рабочее напряжение (менее 1 В) позволяет управлять прохождением света.

Рис. 8.24. Упаковка молекул в ЖК: а – гомогенная; б – гомеотропная

Фазовый переход связан с изменением состояния нематического жидкого кристалла при изменении электрического поля с гомеотропной упаковкой молекул, при котором ЖК-ячейка прозрачна, в состояние, при котором ЖК-ячейка становится непрозрачной, рассеивая свет.

Оптический эффект «гость – хозяин». Краситель, обла-

дающий свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, называется плеохроическим красителем. Если к жидкому кристаллу подмешать краситель, обладающий свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, тогда с помощью электрического поля оказывается возможным менять как ориентацию молекул ЖК, так и ориентацию молекул красителя, т.е. можно изменять цвет ЖК-ячейки. В такой ЖК-ячейке ЖК называют «хозяином», а краситель – « гостем», а само явление называют оптическим эффектом «гость – хозяин». На рис. 8.25 показано превращение ЖК р-типа с гомогенной упаковкой молекул в кристалл с гомеотропной упаковкой под действием электрического поля.

172

Рис. 8.25. Оптический эффект «гость – хозяин»:

а – без электрического поля; б – в электрическом поле

Несмотря на то, что технология жидкокристаллических экранов достигла зрелого состояния, в настоящее время из-за неудовлетворительной цветопередачи и других недостатков идут интенсивные поиски альтернативных технологий. В качестве одной из возможных альтернатив в последнее время рассматриваются индикаторные системы на основе органических электролюминес-

центныхструктур (OLED).

История разработки OLED, по-видимому, начинается с 1965 году, когда в национальной химической лаборатории (Оттава) было обнаружено голубое свечение антрацена. Следующий этап развития OLED начинается с исследований физика Р.Г. Фрэнда и химика А.Н. Холмса (Кембридж) в области молекулярной электроники с использованием полимера полипарафениленвинелена (PPV). Типичная конструкция OLED на основе PPV представлена на рис. 8.26.

В то время как в современных ЖКИ-экранах яркость проходящего через фильтры излучения подсветки составляет величину

173

порядка 100 Кд/м2, в первых приборах нового поколения этот параметр был в 50–60 раз выше (науровне 5000–6000 Кд/м2).

Рис. 8.26. Конструкция OLED на основе PPV

Интересным фактом, общим как для твердотельной, так и органической оптоэлектроники, является поистине стремительная динамика улучшения ключевых светотехнических параметров приборов начиная с 1990 года, при этом по уровню светоотдачи параметры OLED превосходят достижения СИД предыдущих поколений (рис. 8.27). Сверхяркие СИД, как видно на рис. 8.27, по светоотдаче на порядок превосходят лампы накаливания и значительно превосходят галогенные лампы.

Успешное решение физико-технологических проблем позволило в последнее время разработать и освоить в серийном производстве такой важный класс приборов, как оптроны, сочетающие в себе функции как генерации, так и регистрации излучения. Оптрон – это оптоэлектронный прибор, состоящий из оптического излучателя и фотоприемника (ФП). Физическую основу работы оптрона составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические (в излучателе), оптических сигналов – в электрические (в ФП).

ФП представляют собой приборы, в которых оптическая (световая) энергия преобразуется в электрическую энергию. Существуют следующие разновидности фотоприемников: фото-

174

диоды, солнечные батареи, лавинные фотодиоды, фототранзи-

сторы, фоторезисторы. Принцип действия этих фотоприемников заключается в использовании эффектов: фотогальванического, фоторезистивного (внутреннего фотоэффекта), внутреннего усиления.

Рис. 8.27. Динамика улучшения светотехнических параметровтвердотельныхиорганическихСИД

Оптроны используются в датчиках, преобразующих электромагнитное излучение из одного диапазона в другой, например инфракрасное излучение в видимое и т.п. Наиболее распространенная конструкция этого прибора представлена на рис. 8.28.

С появлением технологии сверхъярких СИД, способных обеспечить передачу широкой гаммы цветов при одновременной высокой эффективности процесса излучательной рекомбинации, наблюдается подлинный бум в области нового поколения разнообразных систем визуального отображения информации коллективного и группового пользования. Одной из иллюстраций перспективности такого подхода является разработка миниатюрного дисплея, имеющего размеры 30× 33× 89 мм и дающего пользователю впечатление восприятия изображения на 30 см

175

мониторе с использованием СИД-технологии (рис. 8.29). Прибор имеет массу 70 г, потребляет менее 5 Вт и может работать от батарейки. Его можно прикрепить к легкому держателю наушника или оправе очков.

Рис. 8.28. Конструкция оптрона в керамическом корпусе

Рис. 8.29. Миниатюрный дисплей

Предельные возможности полупроводниковых излучателей демонстрируют лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), которые отличаются от обычных полосковых лазеров расположением зеркал резонатора Фабри-Перо параллельно плоскости полупроводниковой пластины. ЛВР характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции (десятки гигагерц) и сверхминиатюрностью.

176

Рис. 8.30. Излучениедиода сInAs сквантовойточкой в активном слое притоковойапертуре А < 1 мкм (яркая точка вцентре)

Важный шаг на пути реализации однофотонных излучателей сделан при использовании в качестве активного слоя InAs квантовых точек малой плотности. При малой апертуре (от лат. apertura – отверстие) при токовом возбуждении наблюдалось излучение одиночной квантовой точки (рис. 8.30) Присутствие в спектре излучения лишь одной линии, соответствующей рекомбинации экситона одиночной InAs квантовой точки, подтвердило однофотонный характер излучения. Ожидается, что именно на базе ЛВР будут созданы полупроводниковые однофотонные СИД для использования в будущих системах квантовых вычислений и квантовой криптографии.

Вопросы для самоконтроля

1.Что называют гетеропереходом, гетероструктурой?

2.Объясните явления инжекции и рекомбинации электрических зарядов для р–n -переходов.

3.Объясните закономерности вольт-амперной характеристики для р–n -перехода.

4.Какие квантоворазмерные структуры вам известны? Каковы особенности энергетических диаграмм и плотностей электронных состояний в этих структурах?

177

5.В чем заключается процесс самосборки квантоворазмерных структур?

6.Что называют сверхрешеткой? Чем характеризуются псевдоморфные и напряженные сверхрешетки?

7.Каково различие между композиционными и легированными сверхрешетками?

8.Объясните физический принцип работы транзистора.

9.В чем заключается отличие биполярных транзисторов от полевых?

10.Назовите области применения транзисторов. Каковы пути повышения эффективности транзисторов в современных электронных и оптических схемах?

11.Объясните физический принцип работы светодиода.

12.Объясните физические принципы работы светодиодов: газоразрядных, электролюминесцентных, микроэлектромеханических, жидкокристаллических.

13.В чем заключается преимущество диодов на основе органических электролюминесцентных структур? Для чего нужны диоды с квантовой точкой? Дайте сравнительную характеристику эффективности различных типов светодиодов.

14.Что такое оптроны? Каковы области их применения?

9. ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Исторические аспекты

Так называемая приставка нановообще означает одну миллиардную (10–9 ) чего-либо (от греч. nános– карлик). Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых – порядка миллиардных долей метра. Хотя слово нанотехнология является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует

178

сама жизнь. Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся изнутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с углеводами. Трещины, появляющиеся снаружи, не могут распространяться в раковине из-за наноструктурированных кирпичиков. Раковины являются природной демонстрацией того, что структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного прочнее материала, однородного в объеме.

В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преимущества наноразмерных материалов. Есть сведения, что в четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах объясняется присутствием металлических наночастиц в стекле. Так, например, прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц золота в стеклянную матрицу. Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, включает сферические металлические наночастицы, обеспечивающие специфические оптические свойства. Оказалось, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения стойких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц, также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.

Потенциальную важность маленьких частичек – кластеров – осознал ирландский (по рождению) химик Роберт Бойль, и это нашло отражение в его труде «Химик-скептик» в 1661 году. В нем Бойль критикует воззрения Аристотеля на материю, состоящую из четырех первооснов: земли, огня, воды и воздуха. Вместо этого он предполагает, что крошечные частички вещества соединяются разными способами и образуют, таким образом, то, что он называл корпускулами. Он описывает их как «крошечные массы, или кластеры, которым тяжело быстро разложиться на составляющие их частицы».

179

Первым из ученых, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Н. Тесла. Именно он предсказал создание вбудущем электронного микроскопа.

В1920-х годах американский физик-теоретик российского происхождения Г. А. Гамов впервые вывел решение уравнений Шрёдингера, описывающее возможность преодоления частицей потенциального барьера при условии, если ее энергия меньше его высоты. Открытое явление, называемое «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники.

В1932 году нидерландский профессор Ф. Цернике открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия, 1953 году) – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этогоприходилосьприменять красители, убивавшиеживые ткани).

В1939 году немецкие физики Э.А. Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 году, и М. Кноль создали электронный микроскоп, обеспечивающий увеличение на тот период большее, чем существовавшие оптические микроскопы. Прибор стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших

вдальнейшем заглянуть в мир нанообъектов. В этом же году компания «Сименс», в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

180