Фотонные, или коллоидные кристаллы - упорядоченные структуры, характеризующиеся строгопериодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых сдлинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Фотонныекристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяютполучать разрешенные и запрещенные зоны для энергий фотонов, аналогичнополупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешенные и запрещенныезоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонныйкристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), котораясоответствует запрещенной зоне данного фотонного кристалла, то он не можетраспространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит чтоесли на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией, которая соответствует разрешенной зоне данного фотонного кристалла, то онможет распространяться в фотонном кристалле. При этом фотонный кристаллвыполняет функцию оптического фильтра.
С точки зрения классической физики твердого тела коллоидный кристалл является сверхрешеткой (crystalsuperlattice) - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, напорядки превышающим период основной кристаллической решетки. Для фотонов такое поле (оптическую сверхрешетку) получаютпериодическим изменением коэффициента преломления среды в одном, двух или трехпространственных направлениях - 1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно (Рис.7).
1-D 2-D
1-D 2-D 3-D
Рис. 7. Схематические представления фотонных кристаллов (n1, n2 - коэффициенты преломлениясред, Λ – длина волны) и хода лучей света в них
Фотохромные эффекты в фотонных кристаллах связаны с процессами дифракции (интерференции и отражения света)(Рис.8А,Б), которые описываются модифицированным уравнением Брэгга-Снелла: λ = 2 D(n2eff− cos2 θ)1/2, где λ – длина волны отраженного света, nэфф – средний коэффициент преломления материалов, образующих фотонный кристалл; θ – угол падающего света; D –расстояние между слоями (периодичность кристалла).
Рис.8А. Эффектыинтерференции и отражения света в фотонном кристалле в направлении, перпендикулярном плоскостям [111],при гексагональной упаковке частиц.
(1)(2)
Рис.8Б.Фотография трех типов коллоидных кристаллов из частиц полистирола различного размера (1) и спектры их пропускания (2), свидетельствующие о подчинении закону Брэгга-Снелла.
Периодичностьоптических фотонныхкристалловлежитвобластиполовиныдлиныволныдифрагируемого электромагнитного излучения, что соответствует примерно от 200 нм (голубой цвет) до 350 нм (красный цвет) длявидимой области спектра. Полосыдлин волн, которыенемогутпроходитьчерез фотонный кристалл, образуют запрещенную полосу(stopband или bandgap).
В соответствие с законом Брэгга-Снелла возможно несколько путей регулирования цвета отражаемого фотонными кристаллами света: изменение межплоскостного расстояния D, среднего коэффициента преломления nэфф,угла падающего света θ или одновременным изменением nэфф и D.
Для получения1D- и 2D-фотонных кристаллов обычно используют методы фотолитографии для создания регулярно чередующихся слоев или стержней материалов с различной диэлектрической проницаемостью (коэффициентом преломления), Для создания 3D-фотонных кристалловнаиболее часто используется самопроизвольноеупорядочивание монодисперсныхчастицколлоидных растворов (оксидокремниевых или полистирольных и других полимерных частиц), которые по мере испарения жидкости осаждаются на поверхности или в объёме, образуя преимущественнокубическую, или гексагональную кристаллическиегранецентрированную решетки. Эти методы достаточно медленные, и формирование фотонного кристалла может занять недели.