Ce travail a été partiellement financé par la Société de recherche en sciences promotion (Grant 10626), la National Science Foundation (DMR-1308084), et le prix interne de l&#39;Université d&#39;État de San Francisco à WM Nous remercions notre collaborateur Paul M. Chaikin Université de New York pour des discussions utiles dans la conception expérimentale et pour fournir le système VNA pour nous d&#39;utiliser sur le site de SFSU. Nous remercions nos collaborateurs théoriques, l&#39;inventeur des matériaux HD PBG, Marian Florescu, Paul M. Steinhardt, et Sal Torquato pour diverses discussions et de nous donner la conception du motif de point de HD et des discussions continues.

1. concevoir une structure 2D Hyperuniform troubles diélectrique 11 <ol><li> Choisissez une sous-classe de 2D point de trouble de hyperuniform modèle (cercles bleus dans la figure 2) et le partitionner (lignes bleues dans la figure 2) en utilisant la tessellation Delaunay. Un pavage 2D est une triangulation de Delaunay qui maximise l&#39;angle minimum de chaque triangle formé et garantit l&#39;absence d&#39;autres points à l&#39;intérieur du cercle circonscrit de chaque triangle 11. </li><li> Localisez les centres de gravité de chaque triangle (cercles noirs solides dans la figure 2); ces centroïdes sont les emplacements des tiges diélectriques de rayon r 11. </li><li> Connecter les centres de gravité des triangles voisins (lignes rouges épaisses de la figure 2) pour générer des cellules autour de chaque point 11. </li><li> Créez le fichier de CAO pour le modèle de base de haut HD 2 cm avec des trous et les fentes sur lequel les tiges et les murs seront assemblés 14. Utilisez unmodèle de HD avec la distance moyenne de a = 1,33 cm du centre-tige et régler le trou de rayon était de 2,5 mm et la fente de largeur de 0,38 mm. Réglez la profondeur des trous et les fentes d&#39;être 1 cm de profondeur pour stabiliser les tiges et les murs insérés. </li><li> Créez un fichier de conception CAO similaire pour le modèle de base cristalline (un réseau carré) pour comparaison 14. Utiliser la même constante de réseau que la structure de HD (1,33 cm) et le même trou de rayon (2,5 mm) et une largeur de fente (0,38 mm). </li></ol> 2 Construction et préparation des échantillons <ol><li> Fabriquer le modèle. Fabrication HD et le treillis bases carrées en plastique en utilisant une machine de stéréolithographie qui fabrique un modèle en plastique solide par laser de photo-polymérisation ultraviolet. Utilisez une résine transparente, par exemple en polycarbonate-comme le plastique. La résolution est de 0,1 mm dans les deux directions latérale et verticale. (Voir la figure 3, cadre du milieu). </li><li> Préparer les blocs de construction: Commander disponible dans le commerce r alumineméthodes et des parois minces coupées à des dimensions précises (voir la figure 3, panneau de gauche). Réglez la hauteur de pas moins de quelques longueurs d&#39;onde, par exemple 10,0 cm. Le diamètre de tous les crayons est de 5,0 mm. L&#39;épaisseur de paroi est toujours de 0,38 mm et les largeurs varient de 1,0 mm à 5,3 mm, avec des incréments de 0,2 mm. </li><li> Construire la structure de test sans défaut pour les mesures de bande interdite. Insérer les tiges et les parois dans la base de l&#39;architecture de la structure souhaitée. La vue de côté du réseau construit de deux tiges et les murs sur la base de polymère est représenté sur la figure 3, panneau de droite. </li><li> Conception d&#39;un guide d&#39;onde ou d&#39;un défaut de la cavité: créer différents guides d&#39;ondes à travers des échantillons directement par la suppression ou la modification de tiges et les parois le long du trajet conçu, comme montré sur les figures 9A et 9C. La conception modulaire des échantillons permet de modifier rapidement et facilement des points et des défauts de ligne ou une courbe. </li></ol> 3. principaux instruments <ol><li> Utiliser une balayeuse synthétisé (générateur de micro-ondes) des micro-ondes à fournir à la couverture de fréquence de 45 MHz à 50 GHz avec une résolution de fréquence précise de 1 Hz. Branchez le générateur à un ensemble de test des paramètres S pour mesurer les paramètres de transmission entre les deux ports (terminaux). Utilisez General Purpose Interface Bus (GPIB) des liens et des câbles de communication entre la balayeuse et le test-set. </li><li> Utilisez un analyseur de réseau vectoriel à micro-ondes (VNA) pour traiter le signal reçu du paramètre S-set et essai pour mesurer l&#39;ampleur du signal et la phase. Réglez le test des paramètres S réglé sur le mode S21 de sorte que la VNA génère un fichier de données contenant les composantes réelles et imaginaires du champ E détecté au port 1 à l&#39;égard de la source du signal de port 2 en fonction de la fréquence </li></ol> 4 Configuration de l&#39;instrument <ol><li> Lancer / Fréquence de fin. Sélectionnez les valeurs de début et de fin appropriées de la gamme de fréquences pour la mesure en utilisant la VNA nousmenu er. La plage de fréquences pertinente associée à PBG dépend de l&#39;indice diélectrique de constante de réseau des échantillons. Utilisez 7 GHz à micro-ondes 15 GHz pour les échantillons d&#39;alumine avec un espacement de maille a = 1,33 cm. </li><li> Moyenne Factor. Analyseur vectoriel calcule chaque point de données sur la base de la moyenne des mesures pour réduire le bruit aléatoire. Sélectionnez un facteur d&#39;étalement de 512 à 4096 en saisissant le multiple désiré sur le clavier VNA. Choisissez un facteur d&#39;étalement supérieur pour minimiser le bruit et a choisi un facteur d&#39;étalement plus faible pour un balayage plus rapide. </li><li> Nombre de Points. Pour les mesures dans la gamme de 7 GHz à 15 GHz, choisir le nombre maximum de points de données (801), dans le menu VNA à l&#39;écran, de parvenir à une résolution de fréquence de 10 MHz. </li><li> Calibration. Étalonner le système en mesurant directement le rapport de transmission relatif, et normaliser le contre de la transmission d&#39;un paramètre pré-étalonnée avec le même arrière-plan et sans l&#39;échantillon entre la corne de Antenncomme. En faisant cela, la perte de tout bruit de fond dû à des câbles, des adaptateurs, des guides d&#39;ondes et les antennes peut être éliminé, et le rapport de transmission relatif, avec et sans l&#39;échantillon testé est enregistrée directement. <ol><li> Pour les mesures de bande interdite, mesurer la transmission de micro-ondes dans l&#39;espace libre entre les cornes face de l&#39;autre à une distance de 28 a et enregistrer les résultats sous forme de données de calibrage dans la VNA. Avant de prendre les données de l&#39;expérience réelle d&#39;une structure entre les cornes, mettez le jeu de calibrage en sélectionnant &quot;CALIBRATION ON» sur l&#39;écran VNA. Données calculées par la VNA sera automatiquement normalisée contre le jeu de calibrage et retourner le rapport de la puissance de transmission avec et sans l&#39;échantillon en place. </li><li> Pour les mesures de guide d&#39;ondes, un étalonnage valable n&#39;est pas bien définie, puisque la transmission à travers les guides de l&#39;échantillon peut facilement dépasser la transmission calibrée entre les deux cornes dans l&#39;espace libre. Tourde calibrage sur le VNA surveiller et enregistrer la première émission, qui est le signal détecté sur le signal de source. Placer les cornes juste à côté des ouvertures de canaux de guide d&#39;onde pour obtenir le meilleur rendement de couplage. </li></ol></li></ol> 5. installation expérimentale <ol><li> Configurer le dispositif expérimental de la figure 4. Utilisez des câbles coaxiaux semi-flexibles de haute qualité pour connecter les ports de test-set de paramètres S des guides d&#39;ondes d&#39;entrée / sortie. Connectez antennes cornets pyramidales avec les ports par des guides d&#39;ondes et adaptateurs monomodes rectangulaires pour assurer le rayonnement à être polarisée linéairement, le champ E du rayonnement de la corne est parallèle au bord court de la corne. </li><li> Pour les mesures de bande interdite: Respecter les étapes suivantes pour mesurer la transmission à travers les échantillons sans défaut pour caractériser le PBG des échantillons gratuits de défauts. <ol><li> Aligner les cornes verticalement et horizontalement pour faire face à l&#39;autre. Disposer le hORNs à une distance assez loin, comme 20 fois la longueur d&#39;onde moyenne, de sorte que le rayonnement en champ lointain pour atteindre l&#39;échantillon peut être approchée à ondes planes. Calibrer la transmission entre les cornes face dans l&#39;espace libre sans l&#39;échantillon d&#39;essai et de le stocker dans la mémoire d&#39;étalonnage. </li><li> Placez structures sans défaut en tiges et les murs sur la scène tournante entre les deux cornes face. Mettez le jeu de calibrage enregistrées dans la mémoire VNA lors de l&#39;étape 5.2.1. Le système est maintenant prêt à mesurer le rapport de transmission par rapport à travers l&#39;échantillon normalisé contre la puissance d&#39;émission de la mémoire calibré. </li></ol></li><li> Pour les guides d&#39;ondes et les défauts de la cavité mesures: Respecter les étapes suivantes pour installer les expériences: <ol><li> Construction différents guides d&#39;ondes et des cavités en retirant ou en remplaçant les tiges et les parois des structures sans défaut, comme représenté sur les figures 9A et 9C. </li><li> Disposer lecornes au plus près des ouvertures de canaux que possible pour assurer un bon couplage dans le canal. Pour les canaux courbes et tordues centrer les cornes au milieu du canal avec le bord parallèle à l&#39;ouverture. </li><li> Éteignez l&#39;étalonnage. Maintenant, le système VNA est prêt à mesurer et enregistrer le rapport de transmission brute de la puissance détectée sur le port 2 sur la puissance de la source au port 1. </li></ol></li></ol> Acquisition de données 6 et analyse <ol><li> Caractériser la dépendance angulaire des propriétés photoniques des échantillons: <ol><li> La place des structures faites de tiges et de murs avec une limite presque circulaire sur une scène tournante entre les deux cornes face. </li><li> Assurez-vous que le calibrage enregistré dans la mémoire VNA est activé à l&#39;étape 5.2.2. Zéro le échelle de l&#39;angle sur la transmission de la scène et mesure en rotation à travers la structure. Après l&#39;évaluation initiale à zéro angle d&#39;incidence, tourner l&#39;échantillon et mesurer la transmission dans une égale increm angleparents, comme tous les 2 ° jusqu&#39;à 180 ° de rotation est atteint. </li></ol></li><li> Caractériser la dépendance à la polarisation des propriétés photoniques pour les échantillons: Effectuer toutes les mesures décrites ci-dessus en deux polarisations différentes, respectivement, en modifiant les orientations d&#39;ouverture de la corne. Pour la polarisation TM, mettre en court bord des cornes (la direction du champ E) perpendiculaire au plan horizontal de la base de l&#39;échantillon et parallèle aux tiges. Pour la polarisation TE, les cornes tourner de 90 degrés, de sorte que leurs bords courts (la direction du champ E) sont dans le plan horizontal. </li><li> Caractériser différents canaux de guides d&#39;ondes: Assurez-vous que l&#39;étalonnage est éteint à l&#39;étape 5.3.3. Placez les cornes à côté de l&#39;échantillon pour une meilleure accouplement. Mesure de la transmission à travers différents canaux construits en supprimant et / ou en remplacement des tiges et des parois le long du trajet du canal. Tout en surveillant le signal de transmission sur le VNA en temps réel, de modifier la trajectoire de canal par adding et enlever les barres et les murs de la puissance de transmission optimisée de la bande passante ou de filtrage souhaitée supplémentaires. </li><li> Effectuer des mesures analogues semblables à ce que l&#39;on décrit ci-dessus sur un réseau carré cristal photonique pour la comparaison. </li><li> L&#39;analyse des données. Analyser et représenter graphiquement les données à l&#39;aide d&#39;un programme informatique, tels que MATLAB. Terrain mesurée transmission en fréquence de la fonction (tracé de la ligne), comme la figure 5, figure 2, et la figure 9B et 9D pour étudier le bouche-trou à travers la transmission des échantillons ou des laissez-passer que les canaux de guide d&#39;ondes. transmission de la parcelle en fonction de la fréquence et de l&#39;angle (couleur courbe de niveau) pour analyser les bandes d&#39;arrêt caractéristiques des structures et de leur dépendance angulaire, comme le montre la Figure 6 et Figure 7. </li><li> Ce protocole propose de présenter la transmission mesurée dans les échantillons en fonction de la fréquence et de l&#39;angle d&#39;incidence en coordi polaireNates 12, afin de visualiser directement les symétries de rotation et de la dépendance angulaire des propriétés photoniques. Générer les tracés polaires coordonnée pour montrer directement les limites de la zone de Brillouin de structures cristallines et de révéler la relation entre la formation PBG et plans de diffusion de Bragg (limites de la zone de Brillouin) dans les cristaux et les quasi-cristaux. </li></ol>

<ol>
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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>

Les auteurs n&#39;ont rien à divulguer.

A partir d&#39;un motif de points troubles de hyperuniform, structures HD 2D constitué tiges et / ou réseau de mur peut être conçu pour obtenir un PBG complète pour tous polarisation 11. Basé sur la conception, nous avons construit un modèle avec des trous et des fentes pour le montage des barres 2D alumine et les murs des structures à une échelle en centimètres qui pourrait être testé avec un micro-ondes. Nous avons choisi de travailler avec micro-ondes, car les blocs de construction cm échelle,...

L&#39;existence d&#39;une bande interdite pour les photons a fait l&#39;objet de nombreux travaux scientifiques, à partir des études antérieures effectuées par Lord Rayleigh sur la bande d&#39;arrêt à une dimension, une gamme de fréquences qui sont interdites de propagation dans un milieu périodique 1. La recherche sur les ondes électromagnétiques (EM) propagation dans les structures périodiques a vraiment prospéré dans les deux dernières décennies après les publications phares de E. Yablonovitch 2,3 et S. Jean 4. Le terme «cristal photonique» a été inventé par Yablonovitch pour décrire les structures diélectriques périodiques qui possédaient une bande interdite photonique (BIP). Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques possédant des symétries de translation discrets, les rendant invariant par les translations dans les directions de périodicité. Lorsque cette périodicité est assortie avec les longueurs d&#39;onde électromagnétiques (EM) vagues entrantes, un groupe ofréquences f devient très fortement atténuée, et peuvent arrêter la propagation. Si suffisamment large, les gammes de fréquences interdites, aussi appelées bandes d&#39;arrêt, peuvent se chevaucher dans tous les sens pour créer un BIP, interdisant l&#39;existence de photons de certaines fréquences. Conceptuellement, EM propagation des ondes dans les cristaux photoniques est similaire à électrons propagation des ondes dans les matériaux semi-conducteurs, qui ont une région interdite des énergies d&#39;électrons, aussi connu comme une bande interdite. Semblable à la façon dont les ingénieurs ont utilisé des semi-conducteurs à contrôler et modifier le flux d&#39;électrons à travers les semi-conducteurs, matériaux BIP peuvent être utilisés pour diverses applications nécessitant un contrôle optique. Par exemple, les matériaux BIP peuvent confiner la lumière de certaines fréquences dans les cavités de la taille de la longueur d&#39;onde, et de guider la lumière ou de filtrage le long de défauts linéaires dans les 5. PBG matériaux sont proposés pour être utilisés pour commander l&#39;écoulement de la lumière pour des applications en télécommunication 6, Lasers, 7 circuits optiques et de l&#39;informatique optique 8, et la récolte de l&#39;énergie solaire 9. Une à deux dimensions (2D) réseau carré cristal photonique a 4-symétrie de rotation. Ondes électromagnétiques entrant dans le cristal à angles d&#39;incidence différents (par exemple, 0 ° et 45 ° par rapport aux plans réticulaires) feront face à différentes périodicités. Diffraction de Bragg dans des directions différentes conduit à arrêter des bandes de différentes longueurs d&#39;onde qui peuvent ne pas se chevaucher dans toutes les directions pour former un BIP, sans contraste très élevé d&#39;indice de réfraction des matériaux. En outre, dans les structures 2D, deux polarisations d&#39;ondes EM différents, transverse électrique (TE) et transverse magnétique (TM), forment souvent des bandes interdites à des fréquences différentes, ce qui rend encore plus difficile de former un PBG complète dans toutes les directions pour toutes les polarisations 5. Dans les structures périodiques, les choix limités de symétrie de rotation conduisent à anisotropie intrinsèque (Angular dépendance), qui non seulement rend difficile de former un PBG complète, mais aussi limite fortement la liberté des défauts fonctionnels de la conception. Par exemple, les dessins de guide d&#39;ondes sont avérés être limitée le long des choix très limités des grandes directions de symétrie dans les cristaux photoniques 10. Inspiration pour surpasser ces limitations dues à la périodicité, de nombreuses recherches ont été faites au cours des 20 dernières années sur les matériaux BIP non conventionnelles. Récemment, une nouvelle classe de matériaux désordonnés a été proposé de posséder un isotrope complète PBG en l&#39;absence de périodicité ou quasi-périodicité: le trouble de hyperuniform (HD) structure de PBG 11. Les bandes photoniques n&#39;ont pas de solution analytique exacte dans les structures de troubles. Etude théorique des propriétés photoniques des structures désordonnées est limitée à des simulations numériques de temps. Pour calculer les bandes, la simulation doit employer une méthode d&#39;approximation de super-cellule et la dispopuissance de calcul étiquette peut limiter la taille finie de la super-cellule. Pour calculer la transmission à travers ces structures, simulations informatiques supposent souvent des conditions idéales et ainsi négliger les problèmes du monde réel comme le couplage entre la source et le détecteur, l&#39;incident réel EM profil d&#39;onde, et l&#39;alignement des imperfections 12. En outre, toute modification (conception de défauts) de la structure simulée nécessiterait une autre série de simulation. En raison de la grande taille de la signification minimum pour super-cellule, il est très fastidieux et peu pratique à explorer systématiquement les différentes architectures de conception de défaut pour ces matériaux désordonnés. Nous pouvons éviter ces problèmes de calcul en étudiant les structures photoniques désordonnés expérimentalement. Grâce à nos expériences, nous sommes en mesure de vérifier l&#39;existence de la PBG complète dans les structures de HD. À partir d&#39;expériences de micro-ondes, nous pouvons également obtenir de l&#39;information de phase et de révéler les distri sur le terrainbution et de dispersion des propriétés des Etats photoniques existants en eux. L&#39;utilisation d&#39;un échantillon facilement modifiable et modulable au cm échelle, nous pouvons tester différentes conceptions guide d&#39;ondes et la cavité (défaut) dans les systèmes désordonnés et analyser la robustesse des PBG. Ce type d&#39;analyse de structures photoniques désordonnés complexes est soit difficile ou impossible à obtenir par des études numériques ou théoriques. Le processus de conception commence par la sélection d&#39;un motif de points de hyperuniform &quot;furtif&quot; 13. de motifs de points de Hyperuniform sont des systèmes dans lesquels le nombre variance des points à l&#39;intérieur d&#39;une fenêtre d&#39;échantillonnage &quot;sphérique&quot; de rayon R, augmente plus lentement que le volume de la fenêtre de grande R, soit plus lentement que R d en d-dimensions. Par exemple, dans une distribution statistique de Poisson du point 2D modèle, la variance du nombre de points dans le domaine R est proportionnelle à R &lt;sup&gt; 2. Cependant, dans un motif de points de trouble de hyperuniform, la variance des points dans une fenêtre de rayon R, est proportionnelle à R. Figure 1 montre une comparaison entre un motif de points troubles de hyperuniform et un motif de points de Poisson 11. Nous utilisons une sous-classe de motifs de points désordonné hyperuniform appelé &quot;furtif&quot; 11. En utilisant le protocole de conception décrit dans Florescu et al 11, nous construisons un réseau de murs et de tiges diélectriques, la création d&#39;une structure diélectrique de hyperuniform 2D semblable à un cristal, mais sans les limites inhérentes à la périodicité et l&#39;isotropie. Les réseaux de mur sont favorables à la polarisation TE-bande interdite, tandis que les tiges sont préférables pour former des bandes interdites avec TM-polarisation. Une conception modulaire a été développé, de sorte que les échantillons peuvent être facilement modifiés pour l&#39;usage avec différentes polarisations et pour IntrodDUIRE guides d&#39;ondes de forme libre et les défauts de la cavité. En raison de l&#39;invariance d&#39;échelle des équations de Maxwell, les propriétés électromagnétiques observés dans le régime de micro-ondes sont directement applicables aux régimes infrarouges et optiques, où les échantillons seraient mises à l&#39;échelle de micron et submicroniques tailles.

<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

Récemment, des matériaux photoniques désordonnées ont été proposés comme une alternative à cristaux périodiques pour la formation d&#39;une bande interdite photonique complète (PBG). Dans cet article, nous allons décrire les méthodes de construction et la caractérisation des structures photoniques désordonnés macroscopiques à l&#39;aide de micro-ondes. Le régime micro-ondes offre taille la plus commode de l&#39;échantillon expérimental pour construire et tester médias PBG. Composants de réseau diélectriques facilement manipulables s&#39;étendent flexibilité dans la construction de diverses structures 2D sur des modèles pré-imprimés en plastique. Une fois construit, les structures peuvent être rapidement modifiées par point et de ligne défauts de faire des guides d&#39;ondes et les filtres de forme libre. Les tests sont effectués en utilisant un analyseur et paires d&#39;antennes micro-ondes de la corne de réseau vectoriel largement disponibles. En raison de la propriété d&#39;invariance d&#39;échelle des champs électromagnétiques, les résultats que nous avons obtenus dans la région de micro-ondes peuvent être directement appliquées aux régions infrarouges et optiques. Notre approche est simple mais offre excition de nouvelles informations sur la nature de l&#39;interaction lumière-matière et désordonnée. Les résultats représentatifs sont la première démonstration expérimentale de l&#39;existence d&#39;une structure BIP complète et isotrope dans une structure diélectrique désordonné deux dimensions (2D) hyperuniform. En outre, nous démontrons expérimentalement la capacité de cette nouvelle structure photonique pour guider des ondes électromagnétiques (EM) à travers des guides d&#39;ondes de forme libre de forme arbitraire.

Nous avons réalisé la première confirmation jamais d&#39;un isotrope complète PBG présent dans des structures diélectriques de troubles de hyperuniform. Ici, nous présentons nos résultats de structure de HD et les comparons à celle d&#39;un réseau carré cristal photonique périodique. La figure 5 montre un tracé semi-log de ​​transmission de polarisation TE (dB) en fonction de la fréquence (GHz) pour une structure de trouble de hyperuniform à un angle d&#39...

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

Structures désordonnées offrent de nouveaux mécanismes pour former des bandes interdites photoniques et une liberté sans précédent dans la conception fonctionnelle défaut. Pour contourner les difficultés de calcul des systèmes désordonnés, nous construisons des échantillons macroscopiques modulaires de la nouvelle classe de matériaux BIP et utilisons des micro-ondes pour caractériser leurs propriétés photoniques échelle invariant, d&#39;une manière simple et peu coûteuse.

Utilisation de micro-ondes et d&#39;échantillons macroscopiques des diélectriques solides pour étudier les propriétés photoniques désordonnés de bande interdite photonique Matériaux

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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12.2K vues.  San Francisco State University.  Structures désordonnées offrent de nouveaux mécanismes pour former des bandes interdites photoniques et une liberté sans précédent dans la conception fonctionnelle défaut. Pour contourner les difficultés de calcul des systèmes désordonnés, nous construisons des échantillons macroscopiques modulaires de la nouvelle classe de matériaux BIP et utilisons des micro-ondes pour caractériser leurs propriétés photoniques échelle invariant, d'une manière simp...

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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.

La récolte de l&#39;énergie solaire au moyen de nanocristaux de charge de séparation des solides et de leurs

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

Recherche

Ingénierie

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 Impression à l&#39;aide d&#39;un projecteur numérique et son application dans l&#39;étude de la mécanique des matériaux souples

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).

Fabrication et caractérisation de guides d&#39;ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

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.

Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par 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.

Imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

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.

Propriétés électro-Polymer nanoparticules Exposer photothermiques

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.

Fabrication de 1-D Cristal Photonique Cavity sur un nanofibres utilisant Ablation laser femtoseconde induite

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.

Recombinaison Dynamics photovoltaïques en couches minces de matériaux par résolution temporelle Micro-ondes Conductivity

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 Visualisation du comportement des échantillons de pétrole Phase Sous raffinerie processus 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 ...

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.