Diese Arbeit wurde teilweise von der Research Corporation for Science Advance (Zuschuss 10626), National Science Foundation (DMR-1308084) und der San Francisco State University interne Auszeichnung an WM unterstützt Wir danken unserem Partner Paul M. Chaikin von NYU für hilfreiche Diskussionen in Versuchsplanung und für die Bereitstellung der VNA-System für uns vor Ort bei SFSU verwenden. Wir danken unseren Mitarbeitern theoretischen, der Erfinder der HD PBG Materialien, Marian Florescu, Paul M. Steinhardt und Sal Torquato für verschiedene Diskussionen und für die Bereitstellung von uns die Gestaltung des HD-Punkt-Muster und kontinuierliche Diskussionen.

1. Entwerfen Sie ein 2D-Hyperuniform Ungeordnete dielektrische Struktur 11 <ol><li> Wählen Sie eine Unterklasse von 2D hyperuniform Störung Punktmuster (blaue Kreise in Abbildung 2) und partitionieren (blaue Linien in Abbildung 2) mit Delaunay Tessellation. Ein 2D-Delaunay-Tessellation eine Triangulation, die den minimalen Winkel für jedes Dreieck ausgebildet und garantieren somit gibt es keine andere Punkte innerhalb des Umkreises jedes Dreiecks 11. </li><li> Suchen Sie die Schwerpunkte jedes Dreiecks (fest schwarze Kreise in Abbildung 2); Diese Schwerpunkte sind die Positionen der dielektrischen Stäbe mit dem Radius R 11. </li><li> Schließen Sie die Schwerpunkte der benachbarten Dreiecke (dicke rote Linien in Abbildung 2) zu den Zellen um jeden Punkt 11 zu generieren. </li><li> Erstellen Sie die CAD-Design-Datei für die 2 cm groß HD Basisvorlage mit Löchern und Schlitzen, auf denen die Stangen und Wände montiert werden 14. Verwenden Sie einHD-Muster mit dem durchschnittlichen Innenstangenabstand von a = 1,33 cm und den Loch-Radius zu sein 2,5 mm und Schlitzbreite bis 0,38 mm betragen. Stellen Sie die Tiefe für Löcher und Schlitze zu 1 cm tief, um die eingelegten Stangen und Wände zu stabilisieren. </li><li> Erstellen Sie eine ähnliche CAD-Design-Datei für die kristalline Base-Vorlage (ein quadratisches Gitter) zum Vergleich 14. Verwenden die gleiche Gitterkonstante wie das HD Struktur (1,33 cm) und den gleichen Lochradius (2,5 mm) und Schlitzbreite (0,38 mm). </li></ol> 2. Proben Aufbau und Vorbereitung <ol><li> Fabrizieren die Vorlage. Fertigen die HD und quadratischen Gitter Kunststoff Basen mit Hilfe eines Stereolithographiemaschine, die eine solide Kunststoffmodell durch UV-Laser-Foto-Polymerisation erzeugt. Verwenden Sie eine klare Harz, beispielsweise Polycarbonat-wie Kunststoff. Die Auflösung ist 0,1 mm in beiden lateralen und vertikalen Richtungen. (Siehe Abbildung 3, Mitte). </li><li> Bereiten Sie die Bausteine: Bestellen Sie im Handel erhältlich Alumina rods und genauen Abmessungen (siehe Abbildung 3, links) schneiden dünne Wände. Die Höhe auf nicht weniger als ein paar Wellenlängen, zum Beispiel 10,0 cm. Der Durchmesser aller Stäbe beträgt 5,0 mm. Wandstärke ist stets 0,38 mm und Breiten variieren von 1,0 mm bis 5,3 mm, 0,2 mm-Schritten. </li><li> Konstruieren Sie die fehlerfreie Teststruktur für Messungen Bandlücke. Legen Stangen und Wände in die Basis für die gewünschte Struktur der Architektur. Die Seitenansicht des konstruierten Netzwerk beider Stangen und Wände auf Polymerbasis ist in Figur 3, rechte Tafel gezeigt. </li><li> Entwerfen Sie ein Wellenleiter oder einen Hohlraum Defekt: Erstellen verschiedener Wellenleitern durch die Proben direkt Entfernen oder Ändern von Stangen und Wänden entlang des Weges gestaltet, wie in den 9A und 9C gezeigt. Der modulare Aufbau der Proben ermöglicht eine schnelle und einfache Änderung von Punkt und Linie oder Kurve Mängel. </li></ol> 3. Wesentliche Instrumente <ol><li> Verwenden Sie eine synthetisiert Kehrmaschine (Mikrowellengenerator) für Mikrowellen mit einer Frequenz von 45 MHz Reichweite bis 50 GHz mit präziser 1 Hz Frequenzauflösung bieten. Verbinden des Generators mit einem S-Parameter-Testsatz zur Übermittlung von Parametern zwischen den beiden Ports (Anschlüsse) zu messen. Verwenden General Purpose Interface Bus (GPIB) Verbindungen und Leitungen für die Kommunikation zwischen der Kehrmaschine und dem Test-Set. </li><li> Verwenden Sie eine Mikrowelle Vector Network Analyzer (VNA), um die von der S-Parameter empfangene Signal verarbeiten Test-Set und Betrag und die Phase des Signals zu bestimmen. Stellen Sie die S-Parameter S21 Test-Modus so eingestellt, dass der VNA gibt eine Datendatei mit den realen und imaginären Komponenten des erfaßten E-Feld am Port 1 in Bezug auf das Quellensignal von Anschluss 2 als Funktion der Frequenz </li></ol> 4. Instrument Setup <ol><li> Start / Ende Frequenz. Wählen Sie die entsprechenden Werte Anfang und Ende des Frequenzbereichs für die Messung mit dem VNA unsER-Menü. Die PBG mit verbundenen relevanten Frequenzbereich hängt von der Dielektrizitätszahl des Gitterabstand der Proben. Verwenden 7 GHz bis 15 GHz Mikrowellen für die Aluminiumoxid-Proben mit Gitterabstand a = 1,33 cm. </li><li> Mittelungsfaktor. Vektoranalyse berechnet jeden Datenpunkt auf der Grundlage der Durchschnitt von mehreren Messungen, um Zufallsrauschen zu reduzieren. Wählen Sie ein Mittelungsfaktor von 512 bis 4.096 durch die Eingabe der gewünschten mehrere auf der VNA-Tastatur. Wählen Sie eine höhere Mittelungsfaktor, um das Rauschen zu minimieren und wählte eine geringere Mittelungsfaktor für eine schnellere Scan. </li><li> Anzahl der Punkte. Für Messungen im 7 GHz bis 15 GHz, wählten die maximale Anzahl von Datenpunkten (801), auf der VNA-Menü auf dem Bildschirm, auf das Erreichen einer Frequenzauflösung von 10 MHz. </li><li> Kalibrierung. Kalibrierung des Systems durch direkte Messung der relativen Übertragungsverhältnis und Normalisierung gegen die Übertragung eines vorkalibrierten Einstellung mit dem gleichen Hintergrund und ohne die Probe zwischen dem Horn antennwie. Auf diese Weise kann die ganze Hintergrundverlust aufgrund der Kabel, Adapter, Wellenleiter und Antennen beseitigt werden, und die relative Übersetzungsverhältnis mit und ohne die getestete Probe wird direkt aufgezeichnet. <ol><li> Für Messungen Bandlücke, messen Sie die Mikrowellen-Übertragung durch den freien Raum zwischen den Hörnern gegenseitig in einer Entfernung von 28 ein und speichern Sie mit Blick auf die Ergebnisse als Kalibrierung in der VNA ​​eingestellt. Vor der Einnahme von Daten für die aktuelle Experiment mit einer Struktur, die zwischen den Hörnern, schalten Sie die Kalibrierung, indem Sie &quot;Kalibrierung&quot; auf der VNA Monitor verwendet wird. Durch die VNA berechneten Daten werden automatisch normalisiert gegen die Kalibrierung Menge und senden Sie das Verhältnis der Sendeleistung mit und ohne Probe an Ort und Stelle. </li><li> Für Wellenmessungen, eine sinnvolle Kalibrierung nicht gut definiert, da die Übertragung durch den Probenleiter können die kalibrierten Übertragung zwischen den zwei Hörnern im freien Raum leicht überschreiten. Schaltenoff Kalibrierung auf der VNA überwachen und aufzeichnen, die rohe Übertragung, die das erfasste Signal über die Signalquelle ist. Legen Sie die Hörner direkt neben den Wellenleiterkanalöffnungen, um die besten Kopplungseffizienz zu erzielen. </li></ol></li></ol> 5. Experimenteller Aufbau <ol><li> Konfigurieren Sie die in Abbildung 4 dargestellt Versuchsaufbau. Verwenden Sie hochwertige halbflexible Koaxialkabel, um die S-Parameter-Test-Set-Ports mit Eingang / Ausgang Wellenleiter verbinden. Verbinden Pyramidenhornantennen mit den Häfen durch rechteckige Singlemode-Wellenleiter und Adapter, um die Strahlung zu gewährleisten linear polarisierten zu sein, ist das E-Feld der Strahlung aus dem Horn parallel zur kurzen Kante des Horns. </li><li> Für Messungen Bandlücke: Halten Sie sich an die folgenden Schritte, um die Übertragung durch die fehlerfreien Proben zu messen, um die PBG der fehlerfreien Proben zu charakterisieren. <ol><li> Ausrichten der Hörner vertikal und horizontal zu einander zugewandt sind. Ordnen Sie die hORN an einem weit entfernt, wie beispielsweise das 20-fache der mittleren Wellenlänge, so dass das Fernfeld-Strahlung, die die Probe auf ebenen Wellen angenähert werden. Kalibrieren Sie die Übertragung zwischen den einander zugewandten Hörner im freien Raum ohne die Teststichprobe und speichern sie in Eichspeicher. </li><li> Platzieren defektfreie Strukturen der Stäbe und die Wände zwischen den zwei gegenüberliegenden Hörnern auf der Drehbühne. Schalten Sie den Kalibrierungssatz in Schritt 5.2.1 in VNA Speicher aufgezeichnet. Das System ist nun bereit, um die relative Übersetzungsverhältnis durch die Probe gegen die Sendeleistung des kalibrierten Speicher normalisiert messen. </li></ol></li><li> Für Wellenleiter und Hohlraum Mängel Maße: Halten Sie sich an die folgenden Schritte, um das Setup der Experimente: <ol><li> Konstrukt verschiedenen Wellenleitern und Hohlräume durch Entfernen oder Ersetzen Stäbe und Wände in den fehlerfreien Strukturen, wie in den 9A und 9C gezeigt ist. </li><li> Ordnen Sie dieHörner so nahe an den Kanalöffnungen wie möglich eine gute Kopplung in den Kanal zu gewährleisten. Bei gekrümmten und gebogenen Kanälen zu zentrieren die Hörner in der Mitte des Kanals mit der Kante parallel zur Öffnung. </li><li> Schalten Sie die Kalibrierung. Jetzt ist der VNA-System ist bereit zur Messung und Aufzeichnung des rohen Übersetzungsverhältnis der erfassten Leistung an Port 2 über die Stromquelle am Anschluss 1. </li></ol></li></ol> 6. Datenerfassung und Auswertung <ol><li> Charakterisieren die Winkelabhängigkeit der photonischen Eigenschaften der Proben: <ol><li> Ort Strukturen der Stäbchen und Wände zwischen den beiden einander zugewandten Hörner mit einer nahezu kreisförmigen Grenze auf einer Drehbühne. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die in der VNA gespeichert Kalibrierung wird in Schritt 5.2.2 gemacht. Null die Winkelskala auf der Drehbühne und messen Übertragung durch die Struktur. Nach der ersten Messung bei Null Einfallswinkel, drehen Sie die Probe und messen Sie die Übertragung im gleichen Winkel INKREM.GEBERents, beispielsweise alle 2 ° bis 180 ° Drehung erreicht ist. </li></ol></li><li> Charakterisieren die Polarisationsabhängigkeit der photonischen Eigenschaften für die Proben: Führen Sie alle oben in zwei verschiedenen Polarisationen jeweils beschrieben, indem die Hornöffnung Orientierungen Messungen. Für TM-Polarisation, setzen die Hörner &quot;kurze Kante (die E-Feld-Richtung) senkrecht zu der horizontalen Ebene des Probenbasis und parallel zu den Stäben. Für TE-Polarisation, drehen Sie die Hörner 90 Grad, so dass ihre kurzen Kanten (die E-Feld-Richtung) sind in der horizontalen Ebene. </li><li> Charakterisieren verschiedene Wellenleiter-Kanäle: Stellen Sie sicher, dass die Kalibrierung in Schritt 5.3.3 gemacht. Legen Sie die Hörner neben der Probe für die beste Kupplung. Messung der Transmission durch verschiedene Kanäle durch Entfernen und / oder Ersetzen von Stäben und den Wänden entlang der Kanalpfad aufgebaut. Während der Überwachung des Sendesignals auf der VNA in Echtzeit, ändern Sie die Kanalstrecke von adding und Entfernen von Zusatzstangen und Wände für optimierte Sendeleistung oder gewünschte Filterbandbreite. </li><li> Führen Sie analoge Messungen ähnlich, was sind oben auf einem quadratischen Gitter photonischen Kristall zum Vergleich beschrieben. </li><li> Datenanalyse. Analysiert und grafisch die Daten mittels eines Computerprogramms, wie beispielsweise MATLAB. Grundstück gemessen Transmission als Funktion Frequenz (Liniendiagramm), wie Abbildung 5, Abbildung 2 und Abbildung 9B und 9D, um die Notlösung durch die Proben oder Übertragung Pass obwohl die Wellenleiterkanäle zu untersuchen. Plot Transmission als Funktion von Frequenz und Winkel (Farbkonturdiagramm) zu analysieren, die Sperrbänder Eigenschaften der Strukturen und ihre Winkelabhängigkeit, wie in 6 und 7 gezeigt. </li><li> Dieses Protokoll schlägt Darstellung der gemessenen Transmission durch Proben als Funktion der Frequenz und der Einfallswinkel in polaren Koordiniert 12, um die Rotationssymmetrien und Winkelabhängigkeit des photonischen Eigenschaften direkt zu visualisieren. Generieren Sie die Polarkoordinatengrundstücke direkt zeigen die Brillouin-Zonengrenzen von kristallinen Strukturen und zeigen den Zusammenhang zwischen Bildung und PBG Bragg-Streuung Ebenen (Brillouin-Zonengrenzen) in Kristallen und Quasikristallen. </li></ol>

<ol>
	<li>Strut, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).</li><li>Yablonovitch, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibited+spontaneous+emission+in+solid-state+physics+and+electronics.">Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).</li><li>Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+band+structure:+The+face-centered-cubic+case.">Photonic band structure: The face-centered-cubic case.</a> Phys. Rev. Lett. 63, 1950-1953 (1989).</li><li>Sajeev, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strong+localization+of+photons+in+Certain+Disordered+Dielectric+super+lattices.">Strong localization of photons in Certain Disordered Dielectric super lattices.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).</li><li>Joannopoulos, J., Johnson, S. G., Winn, J. N., Mead, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. , 243-248 (2008).</li><li>Noda, S., Chutinan, A., Trappin Imada, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=emission+of+photons+by+a+single+defect+in+a+photonic+bandgap+structure.">emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure.</a> Nature. 407, 608-610 (2000).</li><li>Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seeling, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Random+laser+action+in+semiconductor+powder.">Random laser action in semiconductor powder.</a> Phys. Rev. Lett. 82, 2278-2281 (1999).</li><li>Chutinan, A., John, S., Toader, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffractionless+flow+of+light+in+all-optical+microchips.">Diffractionless flow of light in all-optical microchips.</a> Phys. Rev. Lett. 90, 123901 (2003).</li><li>Vynck, K., Burresi, M., Riboli, F., Wiersma, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+management+in+two-dimensional+disordered+media.">Photon management in two-dimensional disordered media.</a> Nature Mater. 11, 1017-1022 (2012).</li><li>Ishizaki, K., Koumura, M., Suzuki, K., Gondaira, K., Noda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+three-dimensional+guiding+of+photons+in+photonic+crystals.">Realization of three-dimensional guiding of photons in photonic crystals.</a> Nature Photon. 7, 133-137 (2013).</li><li>Florescu, M., Torquato, S., Steinhardt, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designer+disordered+materials+with+large,+complete+PBGs.">Designer disordered materials with large, complete PBGs.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 20658-20663 (2009).</li><li>Man, W., Megens, M., Steinhardt, P. J., Chaikin, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+measurement+of+the+photonic+properties+of+icosahedral+quasicrystals.">Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals.</a> Nature. 436, 993-996 (2005).</li><li>Torquato, S., Stillinger, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+density+fluctuations,+hyperuniformity,+and+order+metrics.">Local density fluctuations, hyperuniformity, and order metrics.</a> Phys. Rev. E. 68, 041113 (2003).</li><li>Man, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isotropic+band+gaps+and+freeform+waveguides+observed+in+hyperuniform+disordered+photonic+solids.">Isotropic band gaps and freeform waveguides observed in hyperuniform disordered photonic solids.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 15886-15891 (2013).</li><li>Freeform wave-guiding and tunable frequency splitting in isotropic disordered photonic band gap materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5">https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5</a> (2012)</li><li>Cavity Modes Study in Hyperuniform Disordered Photonic Bandgap Materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh3F.4">https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh3F.4</a> (2012)</li><li>Man, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+band+gap+in+isotropic+hyperuniform+disordered+solids+with+low+dielectric+contrast.">Photonic band gap in isotropic hyperuniform disordered solids with low dielectric contrast.</a> Opt. Express. 21, 19972-19981 (2013).</li><li>Man, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+observation+of+photonic+bandgaps+in+Hyperuniform+disordered+materials.">Experimental observation of photonic bandgaps in Hyperuniform disordered materials.</a> , (2010).</li><li>Schelew, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+integrated+planar+photonic+circuits+fabricated+by+a+CMOS+foundry.">Characterization of integrated planar photonic circuits fabricated by a CMOS foundry.</a> Journal of Lightwave Technology. 31 (2), 239 (2013).</li><li>Guo, Y. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensitive+molecular+binding+assay+using+a+photonic+crystal+structure+in+total+internal+reflection.">Sensitive molecular binding assay using a photonic crystal structure in total internal reflection.</a> Opt. Express. 16, 11741-11749 (2008).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Ausgehend von einem hyperuniform ungeordneten Punktmuster, 2D HD Strukturen, die aus Stangen und / oder Wand Netzwerk entworfen, um eine vollständige PBG für alle Polarisations 11 zu erhalten. Basierend auf dem Design, konstruierten wir eine Schablone mit Löchern und Schlitzen zum Zusammenbauen 2D Alumina Stäbe und Wände Strukturen cm-Skala, die mit Mikrowellen getestet werden konnten. Wir entschieden uns, mit Mikrowellen arbeiten, weil cm-Skala Bausteine, wie Aluminiumoxid Stangen und Wände, kostengün...

Die Existenz einer Bandlücke für Photonen hat sich der Fokus von vielen wissenschaftlichen Arbeiten, ausgehend von den früheren Studien von Lord Rayleigh auf dem eindimensionalen Stoppband, einen Bereich von Frequenzen, die von der Ausbreitung durch eine periodische Medium 1 verboten wurde. Erforschung elektromagnetischer Wellen (EM) Ausbreitung in periodischen Strukturen hat sich wirklich in den letzten zwei Jahrzehnten nach der Samen Publikationen von E. Yablonovitch 2,3 und S. Johannes 4 blühte. Der Begriff &quot;photonischen Kristall&quot; wurde von Yablonovitch geprägt, um die periodischen dielektrischen Strukturen, die eine photonische Bandlücke (PBG) besessen zu beschreiben. Photonische Kristalle sind periodische dielektrische Strukturen besitzen diskrete Translationssymmetrien, wodurch sie invariant unter Translationen in Richtung der Periodizität. Wenn diese Periodizität ist mit den Wellenlängen des elektromagnetischen Eingangs (EM) Wellen abgestimmt, eine Band of Frequenzen stark gedämpft wird und möglicherweise nicht mehr ausbreiten. Wenn breit genug ist, kann die Bereiche der verbotenen Frequenzen, auch als Sperrbereiche, in alle Richtungen überlappen, um eine PBG zu erstellen, das Verbot der Existenz der Photonen bestimmter Frequenzen. Konzeptionell ist EM Wellenausbreitung in photonischen Kristallen ähnlich Wellenausbreitung in Halbleitermaterialien, die einen verbotenen Bereich der Elektronenenergien, die auch als Bandabstand bekannt sind Electron. Ähnlich wie Ingenieure Halbleiter zu steuern und den Fluss von Elektronen durch Ändern Halbleiter verwendet wird, kann PBG Materialien für verschiedene Anwendungen, die optische Steuerung verwendet werden. Zum Beispiel kann PBG Materialien Licht bestimmter Frequenzen in Wellenlängen Größe Hohlräume beschränken und zu führen oder Filter Licht entlang der Linie Mängel in ihnen 5. PBG Materialien vorgeschlagen, die zur Steuerung des Lichtflusses für Anwendungen in der Telekommunikation verwendet werden 6, Laser 7, optische Schaltkreise und optische Rechen 8, und Solarenergie ernten 9. Eine zweidimensionale (2D) quadratischen Gitter photonischen Kristall 4 fache Rotationssymmetrie. EM-Wellen in das Kristall bei verschiedenen Einfallswinkeln (zB 0 ° und 45 ° in Bezug auf die Gitterebenen) verschiedene Periodizitäten stellen. Bragg-Streuung in unterschiedliche Richtungen führt zu Bändern mit unterschiedlichen Wellenlängen, die nicht in allen Richtungen überlappen, um eine PBG bilden stoppen, ohne sehr hohen Brechungsindexkontrast der Materialien. Zusätzlich wird in 2D-Strukturen, zwei EM-Wellenpolarisationen transversale elektrische (TE) und transversal-magnetische (TM), bilden oft Bandlücken bei unterschiedlichen Frequenzen, so dass es noch schwieriger, eine vollständige PBG in allen Richtungen für alle Polarisationen 5 bilden. In periodischen Strukturen, die begrenzten Möglichkeiten der Rotationssymmetrie zu einer intrinsischen Anisotropie (AngulaR Abhängigkeit), die nicht nur schwer, eine vollständige PBG zu bilden, sondern auch die Gestaltungsfreiheit von Funktionsstörungen stark einschränkt. So werden beispielsweise Wellenleiter Designs nachweislich sehr begrenzte Auswahl der Hauptsymmetrierichtungen im photonischen Kristalle 10 entlang eingeschränkt werden. Inspiriert, diese Einschränkungen aufgrund Periodizität zu übertreffen, hat viel Forschung in den letzten 20 Jahren auf unkonventionelle Materialien PBG getan. Kürzlich wurde eine neue Klasse von ungeordneten Materialien wurde vorgeschlagen, eine isotrope in Abwesenheit Periodizität oder Quasiperiodizität besitzen vollständige PBG: die hyperuniform Disorder (HD) PBG-Struktur 11. Die photonischen Bands haben keine genaue analytische Lösung in Unordnung Strukturen. Theoretische Untersuchung der photonischen Eigenschaften der ungeordneten Strukturen zeitaufwendig numerische Simulationen beschränkt. , Um die Bänder zu berechnen, muss die Simulation, um eine Superzelle Näherungsverfahren und die avai beschäftigenLabel Rechenleistung kann die endliche Größe der Superzelle begrenzen. Um die Übertragung durch diese Strukturen zu berechnen, Computersimulationen gehen oft ideale Bedingungen und somit vernachlässigt reale Probleme wie die Kopplung zwischen der Quelle und dem Detektor, der tatsächliche Einfalls EM Wellenprofil und Ausrichtung Unvollkommenheiten 12. Außerdem würde jede Änderung (Defekt-Design) des simulierten Struktur eine weitere Runde der Simulation erfordern. Aufgrund der Größe des minimalen Bedeutung für Superzelle, ist es sehr mühsam und unpraktisch, systematisch verschiedene Defekt Design Architekturen dieser ungeordneten Materialien. Wir können diese Rechenprobleme durch das Studium der ungeordneten photonischen Strukturen experimentell abzuwenden. Durch unsere Experimente sind wir in der Lage, das Vorliegen der vollständigen PBG in HD-Strukturen zu prüfen. Verwendung von Mikrowellenexperimenten, können wir auch die Phaseninformation zu erhalten und zeigen die Feld Distriteilung und Dispersionseigenschaften der bestehenden photonischen Staaten in ihnen. Mit Hilfe eines leicht modifizierbar und modulare Probe bei cm-Skala, können wir verschiedene Wellenleiter und Hohlraum (Defekt) Designs in den ungeordneten Systemen zu testen und zu analysieren, die Robustheit der PBGs. Diese Art der Analyse von komplexen photonischen Strukturen ungeordnet ist entweder unpraktisch oder unmöglich, durch numerische oder theoretische Studien zu erhalten. Der Design-Prozess beginnt mit der Auswahl einer &quot;schleich&quot; hyperuniform Punktmuster 13. Hyperuniform Punktmuster sind Systeme, in denen die Anzahl Varianz der Punkte innerhalb eines &quot;sphärisch&quot; Abtastfenster mit einem Radius R, wächst langsamer als das Fenstervolumen für große R, also langsamer als R d in d-Dimensionen. Zum Beispiel in einem 2D Poisson Zufallsverteilung Punktmuster, die Varianz der Anzahl der Punkte in der Domäne R proportional R &lt;sup&gt; 2. Jedoch in einem hyperuniform Störung Punktmuster, die Varianz der Punkte in einem Fenster des Radius R ist proportional zu r. Figur 1 zeigt einen Vergleich zwischen einem hyperuniform ungeordneten Punktmuster und einem Poisson-Punktmuster 11. Wir verwenden eine Unterklasse von hyperuniform ungeordneten Punktmuster als &quot;schleichende&quot; 11. Verwendung der in Florescu et al 11 Designprotokoll konstruieren wir ein Netz von dielektrischen Wände und Stangen, der eine dielektrische 2D hyperuniform Struktur ähnlich einem Kristall, aber ohne die inhärenten Beschränkungen für die Periodizität und die Isotropie. Die Wand Netzwerke sind günstig für TE-Polarisationsbandlücke, während die Stäbe bevorzugt zur Bildung Bandlücken mit TM-Polarisation. Ein modulares Design entwickelt, so dass die Proben können leicht für die Verwendung mit unterschiedlichen Polarisationen und nach Introd geändert werdenucing Freiform-Wellenleiter und Hohlraumfehler. Aufgrund der Skalierungsinvarianz der Maxwell-Gleichungen, die in den Mikrowellenbereich beobachtet elektromagnetischen Eigenschaften direkt auf die Infrarot-und optische Regime, in dem die Proben würden Mikron und Submikron-Größe skaliert werden.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="599">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">stereolithography machine</td>
			<td style="width:97px;">3D Systems</td>
			<td style="width:119px;">SLA-7000</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">resin for base</td>
			<td style="width:97px;">3D Systems</td>
			<td style="width:119px;">Accura 60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Alumina rods</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>r=2.5mm, cut to 10.0cm height</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Alumina sheets</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>thickness 0.38mm, various width: from 1.0mm to 5.3mm with 0.2mm incerments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microwave Generator</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">83651B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">S-Parameter Test set</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">8517B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Microwave Vector Network Analyzer</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">8510C</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using microwave and macroscopic samples of dielectric solids to study the photonic properties of disordered photonic bandgap materials

Kürzlich wurden ungeordnete photonische Materialien als Alternative zu periodischen Kristallen zur Bildung einer vollständigen photonischen Bandlücke (PBG) vorgeschlagen worden. In diesem Artikel werden wir die Verfahren zur Konstruktion und Charakterisierung von makroskopischen ungeordneten photonischen Strukturen mit Hilfe von Mikrowellen zu beschreiben. Die Mikrowellenbereich bietet die bequemste experimentellen Probengröße zu bauen und zu testen PBG Medien. Leicht manipuliert dielektrische Gitterkomponenten erweitern die Flexibilität in der Gebäude verschiedenen 2D-Strukturen auf der Oberseite vorgedruckte Plastikschablonen. Einmal gebaut, konnten die Strukturen schnell mit Punkt und Linie Mängel modifiziert werden, um Freiform-Wellenleiter und Filter machen. Die Prüfung erfolgt mittels eines allgemein verfügbaren Vector Network Analyzer und Paare von Mikrowellenhornantennen getan. Aufgrund der Skalierungsinvarianz Eigenschaft der elektromagnetischen Felder, die Ergebnisse können wir im Mikrowellenbereich erhalten direkt Infrarot und optische Bereiche angewendet werden. Unser Ansatz ist einfach, aber liefert EXCIting neue Einblicke in die Natur des Lichts und ungeordneten Interaktion Angelegenheit. Unsere repräsentative Ergebnisse sind die ersten experimentellen Nachweis der Existenz eines vollständigen PBG und isotrop in einem zweidimensionalen (2D) hyperuniform ungeordneten dielektrischen Struktur. Außerdem zeigen wir experimentell die Fähigkeit der neuartigen photonischen Struktur, um elektromagnetische Wellen (EM), durch Freiform-Wellenleiter beliebiger Form zu führen.

Wir haben die erste Bestätigung jemals von einem isotropen vollständige PBG vorhanden in hyperuniform Störung dielektrische Strukturen erreicht. Hier präsentieren wir unsere HD Struktur Ergebnisse und vergleichen sie mit der einer regelmäßigen quadratischen Gitter photonischen Kristalls. Figur 5 zeigt eine halb-logarithmische Darstellung der TE-Polarisationsübertragung (dB) gegen die Frequenz (GHz) für einen hyperuniform Störung Struktur an einem Einfallswinkel. Die...

Watch this Scientific Journal Video about Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials at JoVE.com

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Ungeordneten Strukturen bieten neue Mechanismen für die Bildung photonischen Bandlücken und eine beispiellose Freiheit in der funktionellen-Fehler-Designs. Um die Rechen Herausforderungen ungeordneter Systeme zu umgehen, konstruieren wir modulare makroskopische Proben von der neuen Klasse von Materialien und verwenden Sie PBG Mikrowellen, ihre skaleninvarianten photonischen Eigenschaften zu charakterisieren, in eine einfache und kostengünstige Art und Weise.

Mit Mikrowelle und makroskopischen Proben der Dielektrische Festkörper, um die photonischen Eigenschaften ungeordneter photonische Bandlückenmaterialien Studieren

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

using-microwave-macroscopic-samples-dielectric-solids-to-study

Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K Aufrufe.  San Francisco State University.  Ungeordneten Strukturen bieten neue Mechanismen für die Bildung photonischen Bandlücken und eine beispiellose Freiheit in der funktionellen-Fehler-Designs. Um die Rechen Herausforderungen ungeordneter Systeme zu umgehen, konstruieren wir modulare makroskopische Proben von der neuen Klasse von Materialien und verwenden Sie PBG Mikrowellen, ihre skaleninvarianten photonischen Eigenschaften zu charakterisieren, in eine einfache und kostengünstige Art und Weise. 

Serie: Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Harvesting Solar Energy mittels Charge-Trennung Nanokristalle und ihre Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Forschung

Ingenieurwesen

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new attention as a unique mechanism for pattern transformation. Nature is full of such examples where a wealth of exotic patterns are formed through mechanical instability2-5. Inspired by this elegant mechanism, many studies have demonstrated creation and transformation of patterns using soft materials such as elastomers and hydrogels6-11. Swelling gels are of particular interest because they can spontaneously trigger mechanical instability to create various patterns without the need of external force6-10. Recently, we have reported demonstration of full control over buckling pattern of micro-scaled tubular gels using projection micro-stereolithography (P&mu;SL), a three-dimensional (3D) manufacturing technology capable of rapidly converting computer generated 3D models into physical objects at high resolution12,13. Here we present a simple method to build up a simplified P&mu;SL system using a commercially available digital data projector to study swelling-induced buckling instability for controlled pattern transformation.
A simple desktop 3D printer is built using an off-the-shelf digital data projector and simple optical components such as a convex lens and a mirror14. Cross-sectional images extracted from a 3D solid model is projected on the photosensitive resin surface in sequence, polymerizing liquid resin into a desired 3D solid structure in a layer-by-layer fashion. Even with this simple configuration and easy process, arbitrary 3D objects can be readily fabricated with sub-100 &mu;m resolution.
This desktop 3D printer holds potential in the study of soft material mechanics by offering a great opportunity to explore various 3D geometries. We use this system to fabricate tubular shaped hydrogel structure with different dimensions. Fixed on the bottom to the substrate, the tubular gel develops inhomogeneous stress during swelling, which gives rise to buckling instability. Various wavy patterns appear along the circumference of the tube when the gel structures undergo buckling. Experiment shows that circumferential buckling of desired mode can be created in a controlled manner. Pattern transformation of three-dimensionally structured tubular gels has significant implication not only in mechanics and material science, but also in many other emerging fields such as tunable matamaterials.

We demonstrate controlled pattern transformation of swelling gel tubes by elastic instability. A simple projection micro stereo-lithography setup is built using an off-the-shelf digital data projector to fabricate three-dimensional polymeric structures in a layer-by-layer fashion. Swelling hydrogel tubes under mechanical constraint display various circumferential buckling modes depending on dimension.

Micro 3D-Druck mit einem digitalen Projektor und ihre Anwendung in der Studie von Soft Werkstoffmechanik

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. Thus, understanding of spatial variations in composition as well as electrical properties of OPV materials is of paramount importance for moving PV technology forward.1,2 In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution. Currently, materials properties measurements performed using commercially available AFM-based techniques (PeakForce, conductive AFM) generally provide only qualitative information. The values for resistance as well as Young's modulus measured using our method on the prototypical ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM system correspond well with literature data. The P3HT:PC61BM blend separates onto PC61BM-rich and P3HT-rich domains. Mechanical properties of PC61BM-rich and P3HT-rich domains are different, which allows for domain attribution on the surface of the film. Importantly, combining mechanical and electrical data allows for correlation of the domain structure on the surface of the film with electrical properties variation measured through the thickness of the film.

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution.

Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).

A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.

Elektroaktiven Polymer-Nanopartikel Teilnahmephotothermische Eigenschaften

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

Rekombinationsdynamik in Dünnschicht-Photovoltaik-Materialien über zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to visualize the behavior of petroleum samples under process conditions. The experimental setup relies on a custom-built micro-reactor fitted with a sapphire window at the bottom, which is placed over the objective of an inverted microscope equipped with a cross-polarizer module. Using reflection microscopy enables the visualization of opaque samples, such as petroleum vacuum residues, or asphaltenes. The combination of the sapphire window from the micro-reactor with the cross-polarizer module of the microscope on the light path allows high-contrast imaging of isotropic and anisotropic media. While observations are carried out, the micro-reactor can be heated to the temperature range of cracking reactions (up to 450 &#176;C), can be subjected to H2 pressure relevant to hydroconversion reactions (up to 16 MPa), and can stir the sample by magnetic coupling. 
Observations are typically carried out by taking snapshots of the sample under cross-polarized light at regular time intervals. Image analyses may not only provide information on the temperature, pressure, and reactive conditions yielding phase separation, but may also give an estimate of the evolution of the chemical (absorption/reflection spectra) and physical (refractive index) properties of the sample before the onset of phase separation.

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

This article describes a setup and method for the in situ visualization of oil samples under a variety of temperature and pressure conditions that aim to emulate refining and upgrading processes. It is primarily used for studying isotropic and anisotropic media involved in the fouling behavior of petroleum feeds.

In Situ Visualisierung der Phasenverhalten von Ölproben Unter Raffinerie Prozessbedingungen

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and nanocrystalline materials. The traditional techniques associated with scanning electron microscopy (SEM), such as electron backscatter diffraction (EBSD), do not possess the required spatial resolution due to the large interaction volume between the electrons from the beam and the atoms of the material. Transmission electron microscopy (TEM) has the required spatial resolution. However, due to a lack of automation in the analysis system, the rate of data acquisition is slow which limits the area of the specimen that can be characterized. This paper presents a new characterization technique, Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), which enables the analysis of the microstructure of UFG and nanocrystalline materials using an SEM equipped with a standard EBSD system. The spatial resolution of this technique can reach 2 nm. This technique can be applied to a large range of materials that would be difficult to analyze using traditional EBSD. After presenting the experimental set up and describing the different steps necessary to realize a TKD analysis, examples of its use on metal alloys and minerals are shown to illustrate the resolution of the technique and its flexibility in term of material to be characterized.

This paper provides a detailed method to characterize the microstructure of ultra-fine grained and nanocrystalline materials using a scanning electron microscope equipped with a standard electron backscatter diffraction system. Metal alloys and minerals presenting refined microstructures are analyzed using this technique, showing the diversity of its possible applications.