Fotonische kristallen zijn de nanostructuren die fotonen kunnen manipuleren door middel van een zogenaamde ‘energy gap’, vergelijkbaar met de manier waarop de halfgeleiders in computerchips elektronische stroom manipuleren. Lang werd gedacht dat fotonische kristallen vrij dik moeten zijn om functioneel te zijn. Wetenschappers van de University of Tokyo, de University of Electro-Communications in Tokyo, de Kyoto Institute of Technology en de Universiteit Twente ontdekten dat zelfs zeer dunne 3D fotonische kristallen krachtige apparaten zijn om de lichtstroom te sturen. De nieuwe inzichten leiden tot ontwerpregels voor nieuwe opto-elektronische apparaten voor efficiënte telecommunicatie en computers, en dunne zonnecellen. Hun publicatie verscheen gisteren in het tijdschrift Physical Review B dat wordt gepubliceerd door de American Physical Society.
“We bestudeerden zorgvuldig geassembleerde fotonische kristallen met de zogenaamde houtstapelstructuur”, zegt hoofdauteur Dr. Tajiri (zie Fig. 1). “Onze kristallen bestaan uit een gestapelde reeks van staven in twee loodrechte richtingen in een halfgeleiderwafer zoals galliumarsenide. De kristalstructuur is geïnspireerd op diamanten edelstenen.” Deze geavanceerde methode maakt het gemakkelijk om dunne structuren te maken van slechts enkele lagen dik, tussen een paar honderd nanometer en ongeveer een micron.
Japans-Nederlandse samenwerking
Om hun nieuwe kristallen te onderzoeken, besloot het Japans-Nederlandse team de reflectiviteitsspectra te meten. Daarom werden ze na fabricage in Japan naar Twente verzonden voor microscopische metingen. De metingen toonden aan dat de dunne diamantachtige fotonische kristallen opmerkelijk goed functioneren: alle kristallen vertoonden zowel een hoog reflectievermogen als brede pieken. Opmerkelijk is dat dit zelfs bij het dunste kristal het geval was.
Het is voor het gereflecteerde licht verboden om de kristallen binnen te dringen over een aanzienlijk bereik van golflengten, ook wel verboden zone genoemd. In de Japans-Nederlandse kristallen is de situatie nog extremer, omdat het licht niet in alle richtingen tegelijk mag bewegen. Dr. Tajiri legt uit: “De snelle vorming van de verboden zone in onze kristallen is opmerkelijk omdat eerdere 3D-kristallen dik moesten zijn om een zone te laten ontstaan.”
Mogelijke toepassingen
Prof. Iwamoto, de leider van het Japanse team, zegt: “Onze ontdekking dat zelfs dunne fotonische kristallen krachtige apparaten zijn, betekent dat we veel fabricagetijd en middelen kunnen besparen. En prof. Vos, leider van het Nederlandse team, is enthousiast: “Het resultaat dat zelfs dunne structuren volledig functioneel zijn, is geweldig nieuws voor toepassingen in zonnecellen. Wetenschappers zijn hier op zoek naar dunne breedbandige backreflectors om de prestaties van dunne zonnecellen te verbeteren”.
Het team
Het onderzoek is uitgevoerd door Dr. Takeyoshi Tajiri van de University of Electro-Communications, Chofu in Tokyo, Japan, Dr. Shun Takahashi van de Kyoto Institute of Technology, Prof. Yasuhiko Arakawa van de Institute for Nano Quantum Information Electronics, Prof. Satoshi Iwamoto van de Institute of Industrial Science en de Research Center for Advanced Science and Technology aan de University of Tokyo, en Cornelis Harteveld BSc en Prof. Willem Vos van de MESA+ instituut voor Nanotechnologie, Universeit Twente. Het onderzoek is ondersteund door Japan Society for the Promotion of Science, KAKENHI, NWO; en MESA+ section Applied Nanophotonics.
