Este trabajo fue parcialmente apoyado por la Corporación de Investigación para la Ciencia Avance (Grant 10626), la Fundación Nacional para la Ciencia (DMR-1308084), y el premio interno de la Universidad Estatal de San Francisco a WM Agradecemos a nuestro colaborador Paul M. Chaikin de NYU útil para los debates en diseño experimental y para proporcionar el sistema VNA para que podamos utilizar en el sitio en SFSU. Agradecemos a nuestros colaboradores teóricos, el inventor de los materiales HD PBG, Marian Florescu, Paul M. Steinhardt, y Sal Torquato para diversos debates y para que nos proporciona el diseño del patrón de punto de alta definición y discusiones continuas.

1. Diseñar una Estructura Hyperuniform 2D Disordered dieléctrica 11 <ol><li> Elija una subclase de punto patrón trastorno hyperuniform 2D (círculos azules en la Figura 2) y dividirlo (líneas azules en la Figura 2) usando Delaunay teselación. Una teselación de Delaunay 2D es una triangulación que maximiza el ángulo mínimo para cada triángulo formado y garantiza que no hay otros puntos dentro del círculo circunscrito de cada triángulo 11. </li><li> Localice los centroides de cada triángulo (círculos negros continuas en la figura 2); estos centroides son las ubicaciones de las barras dieléctricas de radio r 11. </li><li> Conectar los centroides de los triángulos vecinos (líneas rojas gruesas en la Figura 2) para generar células alrededor de cada punto 11. </li><li> Crear el archivo de diseño CAD para la plantilla de base alta HD 2 cm con orificios y ranuras en las que se montan las barras y las paredes 14. Utilice unPatrón de HD con la separación media del centro de la barra de a = 1,33 cm y establecer el radio de agujero a 2,5 mm y ranura de ancho a ser de 0,38 mm. Ajuste la profundidad de agujeros y ranuras para ser 1 cm de profundidad para estabilizar las barras y paredes insertados. </li><li> Crear un archivo de diseño CAD similar para la plantilla de base cristalina (una red cuadrada) para la comparación 14. Utilice la misma constante de red como la estructura de HD (1,33 cm) y el mismo radio de agujero (2,5 mm) y la ranura de ancho (0,38 mm). </li></ol> 2. Construcción de la muestra y la Preparación <ol><li> Fabrique la plantilla. Fabricar el HD y bases de plástico red cuadrada utilizando una máquina de estereolitografía que produce un modelo de plástico sólido por láser ultravioleta fotopolimerización. Utilice una resina clara, por ejemplo-como el plástico de policarbonato. La resolución es de 0,1 mm en ambas direcciones laterales y verticales. (Véase la Figura 3, panel central). </li><li> Preparar los bloques de construcción: Orden disponibles comercialmente r Aluminaods y paredes finas cortadas a las dimensiones precisas (véase la Figura 3, panel izquierdo). Ajuste la altura para ser nada menos que un par de longitudes de onda, por ejemplo 10.0 cm. El diámetro de todas las barras es 5,0 mm. Espesor de la pared es siempre 0,38 mm y anchuras varían de 1,0 mm a 5,3 mm, con incrementos de 0,2 mm. </li><li> Construir la estructura de la prueba libre de defectos para las mediciones de banda prohibida. Inserte las barras y las paredes en la base de la estructura de la arquitectura deseada. La vista lateral de la red construida de ambas varillas y las paredes sobre la base de polímero se muestra en la Figura 3, panel derecho. </li><li> Diseño de una guía de ondas o un defecto de la cavidad: Crear varias guías de ondas a través de las muestras directamente mediante la eliminación o la modificación de varillas y paredes a lo largo de la trayectoria diseñado, como se muestra en las figuras 9A y 9C. El diseño modular de las muestras permite la modificación rápida y fácil de apuntar y defectos de la línea o curva. </li></ol> 3. Los instrumentos principales <ol><li> Utilice un barrendero sintetizado (generador de microondas) para proporcionar microondas con cobertura de frecuencia de 45 MHz a 50 GHz con precisa resolución de frecuencia de 1 Hz. Conecte el generador a un equipo de prueba S-parámetro para medir los parámetros de transmisión entre los dos puertos (terminales). Utilice General Purpose Interface Bus (GPIB) enlaces y cables para las comunicaciones entre la barredora y la prueba de conjunto. </li><li> Utilice un analizador vectorial de redes de microondas (VNA) para procesar la señal recibida desde el parámetro S-test-set y para medir la magnitud de la señal y la fase. Establecer la prueba de S-parámetro establecido en el modo de S21 de manera que el VNA genera un archivo de datos que contiene los componentes real e imaginaria de la E-campo detectado en el puerto 1 con respecto a la señal de la fuente desde el puerto 2 como una función de la frecuencia </li></ol> 4. Configuración del instrumento <ol><li> Inicio / Fin de frecuencia. Seleccione los valores de inicio y final apropiadas del rango de frecuencia para la medición con la VNA nosotrosmenú er. El rango de frecuencia relevante asociada con PBG depende del índice dieléctrica del espaciado reticular de las muestras. Utilice 7 GHz a 15 GHz microondas para las muestras de alúmina con espaciado reticular a = 1,33 cm. </li><li> Promediando Factor. Vector analizador calcula cada punto de datos basado en el promedio de varias mediciones para reducir el ruido aleatorio. Seleccione un factor de promedio de 512 a 4096 introduciendo el múltiplo deseado en el teclado VNA. Elija un factor de promedio más alto para minimizar el ruido y eligió un factor de promedio más baja para un análisis más rápido. </li><li> Número de puntos. Para mediciones en el rango de 7 GHz a 15 GHz, eligió el número máximo de puntos de datos (801), en el menú VNA en pantalla, para lograr una resolución de frecuencia de 10 MHz. </li><li> Calibración. Calibrar el sistema midiendo directamente la relación de transmisión relativa, y normalizar contra la transmisión de un ajuste de calibrado previamente con el mismo fondo y sin la muestra entre el cuerno antenncomo. Al hacer esto, toda la pérdida de fondo debido a los cables, adaptadores, guías de onda, y las antenas puede ser eliminado, y la relación de transmisión en relación con y sin la muestra ensayada se registra directamente. <ol><li> Para las mediciones de banda prohibida, medir la transmisión de microondas a través del espacio libre entre los cuernos de uno frente al otro a una distancia de 28 a y guardar los resultados como un conjunto de calibración en el VNA. Antes de tomar datos para el experimento real con una estructura entre los cuernos, encienda el conjunto de calibración seleccionando &quot;CALIBRACIÓN ON&quot; en el monitor VNA. Los datos calculados por el VNA se normalizará automáticamente contra el conjunto de calibración y devolver la relación de la potencia de transmisión con y sin la muestra en su lugar. </li><li> Para las mediciones de guía de ondas, no está bien definido una calibración significativa, ya que la transmisión a través de las guías de onda de la muestra se puede superar fácilmente la transmisión calibrada entre los dos cuernos en el espacio libre. Enciendade calibración en el VNA supervisar y registrar la transmisión en bruto, que es la señal detectada por la señal de la fuente. Coloque los cuernos justo al lado de las aberturas de los canales de guía de ondas para lograr la mejor eficiencia de acoplamiento. </li></ol></li></ol> 5. Configuración Experimental <ol><li> Configurar el dispositivo experimental se muestra en la Figura 4. Utilice cables coaxiales semi-flexibles de alta calidad para conectar los puertos de prueba de conjunto de parámetros S con guías de onda de entrada / salida. Conecte las antenas de bocina piramidal con los puertos a través de guías de onda y adaptadores monomodo rectangulares para garantizar la radiación que es linealmente polarizada, The E-campo de la radiación de la bocina es paralela al borde corto de la bocina. </li><li> Para las mediciones de banda prohibida: Tener en cuenta las siguientes medidas para medir la transmisión a través de las muestras libres de defectos para caracterizar el PBG de las muestras libres de defectos. <ol><li> Alinear los cuernos verticalmente y horizontalmente uno frente al otro. Organizar la hORNs a una distancia lo suficientemente lejos, tales como 20 veces de la longitud de onda media, de modo que la radiación en campo lejano de alcanzar la muestra se puede aproximar a las ondas planas. Calibrar la transmisión entre los cuernos que enfrentan en el espacio libre y sin la muestra de prueba y almacenarlo en la memoria de calibración. </li><li> Coloque las estructuras libres de defectos hechas de cañas y paredes en el escenario giratorio entre los dos cuernos que se enfrentan. Encienda el conjunto de calibración grabado en la memoria VNA durante el paso 5.2.1. El sistema está ahora listo para medir la relación de transmisión relativa a través de la muestra normalizaron en contra de la potencia de transmisión de la memoria de calibrado. </li></ol></li><li> Para las guías de onda y defectos de la cavidad mediciones: Se adhieren a los siguientes pasos para configurar los experimentos: <ol><li> Construir varias guías de ondas y cavidades mediante la eliminación o sustitución de varillas y paredes en las estructuras libres de defectos, como se muestra en las figuras 9A y 9C. </li><li> Organizar elcuernos tan cerca de las aberturas de los canales como sea posible para asegurar un buen acoplamiento en el canal. Para los canales curvados y doblados centran los cuernos en el centro del canal con el borde paralelo a la abertura. </li><li> Apague la calibración. Ahora el sistema está listo VNA para medir y registrar la relación de transmisión en bruto de la potencia detectada en el puerto 2 en la fuente de energía en el puerto 1. </li></ol></li></ol> 6. Adquisición de datos y análisis <ol><li> Caracterizar la dependencia angular de las propiedades fotónicas de las muestras: <ol><li> Coloque las estructuras hechas de cañas y paredes con una frontera casi circular sobre un escenario giratorio entre los dos cuernos que se enfrentan. </li><li> Asegúrese de que la calibración guardada en la memoria VNA se enciende en el paso 5.2.2. Cero la escala de ángulos en el escenario y medida que gira la transmisión a través de la estructura. Después de la medición inicial al ángulo de incidencia cero, girar la muestra y medir la transmisión en Increm igual ángulopadres, como cada 2 ° hasta 180 ° de rotación se alcanza. </li></ol></li><li> Caracterizar la dependencia polarización de las propiedades fotónicas para las muestras: Llevar a cabo todas las mediciones descritas anteriormente en dos polarizaciones diferentes, respectivamente, al cambiar las orientaciones de apertura bocina. Para la polarización TM, ajuste el borde corto los cuernos &#39;(la dirección de campo E) perpendicular al plano horizontal de la base de la muestra y en paralelo a las varillas. Para la polarización TE, rotar los cuernos 90 grados, de modo que sus bordes cortos (la dirección de campo E) están en el plano horizontal. </li><li> Caracterizar diferentes canales de guías de onda: Asegúrese de que la calibración se apaga en el paso 5.3.3. Ponga los cuernos al lado de la muestra para mejor acoplamiento. Medir la transmisión a través de varios canales construidos mediante la eliminación y / o sustitución de varillas y paredes a lo largo de la trayectoria de canal. Mientras que el control de la señal de transmisión en el VNA en tiempo real, modificar la ruta de canal por adding y la eliminación de varillas y paredes para la potencia de transmisión optimizada o ancho de banda deseado de filtrado adicionales. </li><li> Realizar mediciones análogas similares a lo que se ha descrito anteriormente en una red cuadrada de cristal fotónico para la comparación. </li><li> Análisis de los datos. Analizar y representar gráficamente los datos utilizando un programa de ordenador, tales como MATLAB. Parcela mide la transmisión como una función de la frecuencia (trama), tales como la Figura 5, la Figura 2, y la Figura 9B y 9D para estudiar la provisional a través del paso de muestras o de transmisión, aunque los canales de guía de ondas. Parcela de transmisión como una función de la frecuencia y el ángulo (parcela de contorno de color) para analizar las características bandas de parada de las estructuras y su dependencia angular, como se muestra en la Figura 6 y la Figura 7. </li><li> Este protocolo sugiere la presentación de la transmisión medida a través de las muestras como una función de frecuencia y ángulo incidente en coor polarNates 12, con el fin de visualizar directamente las simetrías de rotación y la dependencia angular de las propiedades fotónicas. Generar las parcelas de coordenadas polares para mostrar directamente los límites de la zona de Brillouin de estructuras cristalinas y revelar la relación entre la formación de PBG y Bragg aviones de dispersión (límites de la zona de Brillouin) en cristales y cuasicristales. </li></ol>

<ol>
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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. 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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. 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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>

Los autores no tienen nada que revelar.

A partir de un patrón de punto desordenada hyperuniform, estructuras HD 2D consiste en barras y / o de la red de la pared puede ser diseñado para obtener una completa PBG para todos polarización 11. Basado en el diseño, hemos construido una plantilla con agujeros y ranuras para el montaje de barras 2D de alúmina y paredes en estructuras cm escala que podría ser probado con microondas. Elegimos trabajar con microondas, porque los bloques de construcción cm escala, tales como varillas de alúmina y pared...

La existencia de una banda prohibida de fotones ha sido el foco de muchos trabajos científicos, a partir de los estudios anteriores realizados por Lord Rayleigh en la banda de detención de una dimensión, una gama de frecuencias que están prohibidas de propagación a través de un medio periódico 1. La investigación sobre las ondas electromagnéticas (EM) de propagación en estructuras periódicas realmente ha florecido en las últimas dos décadas después de las publicaciones seminales de E. Yablonovitch 2,3 y S. Juan 4. El término &quot;cristal fotónico&quot; fue acuñado por Yablonovitch para describir las estructuras dieléctricas periódicas que poseían una banda prohibida fotónica (PBG). Los cristales fotónicos son estructuras dieléctricas periódicas que poseen simetría traslacional diferenciadas, haciéndolos invariante bajo traslaciones en las direcciones de la periodicidad. Cuando esta periodicidad se hace juego con las longitudes de onda (EM) ondas electromagnéticas entrantes, una banda ofrecuencias f se convierte en muy atenuada y pueden dejar de propagar. Si lo suficientemente amplia, de los rangos de las frecuencias prohibidas, también llamadas bandas de parada, se pueden solapar en todas direcciones para crear un PBG, que prohíbe la existencia de los fotones de ciertas frecuencias. Conceptualmente, la propagación de ondas EM en los cristales fotónicos es similar a la propagación de la onda de electrones en materiales semiconductores, que tienen una región prohibida de energías de electrones, también conocidos como una banda prohibida. Similar a la forma ingenieros han empleado semiconductores para controlar y modificar el flujo de electrones a través de los semiconductores, materiales de PBG pueden ser utilizados para diversas aplicaciones que requieren un control óptico. Por ejemplo, los materiales de PBG pueden confinar la luz de determinadas frecuencias en cavidades de tamaño de longitud de onda, y guiar la luz o filtro a lo largo de la línea defectos en ellos 5. Materiales PBG se sugieren para ser utilizado para controlar el flujo de la luz para aplicaciones en las telecomunicaciones 6, Láser 7, circuitos ópticos y computación óptica 8, y la recolección de energía solar 9. Una de dos dimensiones (2D) de celosía cuadrada de cristal fotónico tiene simetría rotacional de 4 veces. Ondas EM que entran en el cristal a diferentes ángulos de incidencia (por ejemplo, 0 ° y 45 ° con respecto a los planos de la red) se enfrentarán a diferentes periodicidades. Dispersión de Bragg en diferentes direcciones conduce a dejar de bandas de diferentes longitudes de onda que puede que no se solapan en todas las direcciones para formar una PBG, sin contraste muy alto índice de refracción de los materiales. Además, en estructuras 2D, dos polarizaciones de onda EM diferentes, transversal eléctrico (TE) y el Transversal Magnético (TM), a menudo se forman bandas prohibidas en distintas frecuencias, lo que hace aún más difícil para formar una completa PBG en todas las direcciones para todas las polarizaciones 5. En estructuras periódicas, las opciones limitadas de simetría rotacional conducen a la anisotropía intrínseca (anguladependencia r), que no sólo hace que sea difícil para formar una completa PBG, sino que también limita en gran medida la libertad de diseño de los defectos funcionales. Por ejemplo, los diseños de guía de onda se ha comprobado que se limite a lo largo de opciones muy limitadas de las principales direcciones de simetría en los cristales fotónicos 10. Inspirado para superar estas limitaciones debido a la periodicidad, la investigación se ha hecho en los últimos 20 años en materiales no convencionales PBG. Recientemente se propuso una nueva clase de materiales desordenados poseer una completa PBG isotrópica en ausencia de periodicidad o quasiperiodicity: el Trastorno hyperuniform (HD) estructura PBG 11. Las bandas fotónicas no tienen solución analítica exacta en estructuras trastorno. Estudio teórico de las propiedades fotónicas de las estructuras desordenadas se limita a simulaciones numéricas que consumen mucho tiempo. Para calcular las bandas, la simulación necesita emplear un método de aproximación de células super y el AvaIpotencia de cálculo lable puede limitar el tamaño finito de la célula super. Para calcular la transmisión a través de estas estructuras, las simulaciones por ordenador a menudo asumen condiciones ideales y por lo tanto descuido problemas del mundo real como el acoplamiento entre la fuente y el detector, el incidente real el perfil de onda EM, y la alineación imperfecciones 12. Además, toda modificación (defecto de diseño) de la estructura simulada requeriría otra ronda de simulación. Debido al gran tamaño del significado mínimo para las células súper, es muy tedioso y poco práctico para explorar sistemáticamente varias arquitecturas de diseño defecto para estos materiales desordenados. Podemos evitar estos problemas de cálculo mediante el estudio de las estructuras fotónicas desordenados experimentalmente. A través de nuestros experimentos podemos verificar la existencia de la completa PBG en estructuras de alta definición. Usando experimentos de microondas, también podemos obtener información de fase y revelar los distri campobución y dispersión propiedades de estados fotónicos existentes en ellos. Utilizando una muestra fácilmente modificable y modular al cm escala, podemos probar diferentes diseños de guía de onda y de la cavidad (defecto) en los sistemas desordenados y analizar la robustez de los PBGs. Este tipo de análisis de complejas estructuras fotónicas desordenadas es poco práctico o imposible de obtener a través de estudios numéricos o teóricos. El proceso de diseño comienza con la selección de un patrón de punto hyperuniform &quot;sigiloso&quot; 13. Patrones de punto Hyperuniform son sistemas en los que la varianza número de los puntos dentro de una ventana de muestreo &quot;esférica&quot; ​​de radio R, crece más lentamente que el volumen de ventana para R grande, es decir, más lentamente que R d en d-dimensiones. Por ejemplo, en una distribución aleatoria de Poisson 2D del patrón de punto, la varianza de la cantidad de puntos en el dominio R es proporcional a R &lt;sup&gt; 2. Sin embargo, en un patrón de punto de trastorno hyperuniform, la varianza de los puntos en una ventana de radio R, es proporcional a R. Figura 1 muestra una comparación entre un patrón de punto de hyperuniform desordenada y un patrón de punto de Poisson 11. Utilizamos una subclase de patrones de punto desordenada hyperuniform llamado &quot;sigilosa&quot; 11. Utilizando el protocolo descrito en el diseño Florescu et al 11, se construye una red de paredes dieléctricas y varillas, creando una estructura dieléctrica hyperuniform 2D similar a un cristal, pero sin las limitaciones inherentes a la periodicidad y la isotropía. Las redes de pared son favorables para la banda prohibida TE-polarización, mientras que las barras son preferibles para la formación de separaciones de banda con polarización TM-. Un diseño modular se ha desarrollado, de modo que las muestras pueden ser fácilmente modificados para su uso con diferentes polarizaciones y para introducing guías de onda de forma libre y defectos de la cavidad. Debido a la invariancia de escala de las ecuaciones de Maxwell, las propiedades electromagnéticas observadas en el régimen de microondas son directamente aplicables a los regímenes de infrarrojos y ópticos, en los que las muestras se puede escalar a una micra y submicrónicas tamaños.

<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

Recientemente, materiales fotónicos desordenadas se han sugerido como una alternativa a los cristales de periódicos para la formación de una banda prohibida fotónica completa (PBG). En este artículo vamos a describir los métodos para construir y caracterizar estructuras fotónicas desordenados macroscópicas utilizando microondas. El régimen de microondas ofrece la más conveniente tamaño de la muestra experimental para construir y probar los medios PBG. Componentes de celosía dieléctricas manipuladas fácilmente extienden la flexibilidad en la construcción de diversas estructuras en 2D en la parte superior de las plantillas plásticas preimpresas. Una vez construidas, las estructuras podrían modificarse rápidamente con defectos de puntos y líneas para hacer guías de onda de forma libre y filtros. La prueba se realiza utilizando una amplia disponibilidad Vector Network Analyzer y pares de antenas de bocina microondas. Debido a la propiedad invarianza de escala de los campos electromagnéticos, los resultados que obtuvimos en la región de microondas se pueden aplicar directamente a las regiones de infrarrojos y ópticos. Nuestro enfoque es simple pero ofrece excitatoting nueva visión de la naturaleza de la interacción luz materia y desordenado. Nuestros resultados representativos incluyen la primera demostración experimental de la existencia de una PBG completa e isótropo en una estructura dieléctrica desordenada de dos dimensiones (2D) hyperuniform. Además se demuestra experimentalmente la capacidad de esta nueva estructura fotónica para guiar las ondas electromagnéticas (EM) a través de guías de ondas de forma libre de forma arbitraria.

Hemos logrado la primera confirmación alguna vez de un isotrópica completa presente PBG en estructuras dieléctricas trastorno hyperuniform. A continuación, presentamos nuestra estructura resultados HD y los comparamos con la de un cristal fotónico red cuadrada periódica. La Figura 5 muestra un gráfico semi-log de ​​la transmisión de polarización TE (dB) contra frecuencia (GHz) para una estructura trastorno hyperuniform en un ángulo de incidencia. Este gráfico ...

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

Estructuras desordenadas ofrecen nuevos mecanismos para la formación de bandas prohibidas fotónicos y libertad sin precedentes en el diseño funcional de defectos. Para eludir los retos computacionales de los sistemas desordenados, construimos muestras macroscópicas modulares de la nueva clase de materiales PBG y usamos microondas para caracterizar sus propiedades fotónicas escala invariante, de una manera fácil y barata.

El uso de microondas y muestras macroscópicas de dieléctricos sólidos para estudiar las propiedades fotónicas de desordenados Fotónicas materiales de banda prohibida

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K vistas.  San Francisco State University.  Estructuras desordenadas ofrecen nuevos mecanismos para la formación de bandas prohibidas fotónicos y libertad sin precedentes en el diseño funcional de defectos. Para eludir los retos computacionales de los sistemas desordenados, construimos muestras macroscópicas modulares de la nueva clase de materiales PBG y usamos microondas para caracterizar sus propiedades fotónicas escala invariante, de una manera fácil y barata. 

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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.

Captación de energía solar por medio de carga de separación nanocristales y sus sólidos

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

Investigación

Ingeniería

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 Impresión con un proyector digital y su aplicación en el estudio de la mecánica de materiales blandos

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).

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

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.

Conductividad concurrente cuantitativa y Medidas propiedades mecánicas de los materiales fotovoltaicos orgánicos utilizando 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.

Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

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.

Propiedades Electroactivos Polymer Nanopartículas Exponer fototérmica

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.

La fabricación de 1-D de cristal fotónico cavidad en un nanofibras Uso de ablación inducida por láser de femtosegundo

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.

La recombinación Dinámica de capa fina en materiales fotovoltaicos a través de conductividad de microondas resuelta en el tiempo

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 La visualización del comportamiento de fases de muestras de aceite bajo condiciones de proceso de la refinería

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.