이 작품은 부분적으로 우리는 도움이 토론 NYU에서 우리의 협력자 폴 M. Chaikin 감사 WM에 과학 발전을위한 연구 공사 (보조금 10,626), 국립 과학 재단 (DMR-1308084), 샌프란시스코 주립 대학 내부 수상에 의해 지원되었다 실험 설계와 우리가 SFS​​U에서 사이트에 사용에 대한 VNA 시스템을 제공합니다. 우리는 우리의 이론 공동 작업자, 다양한 토론의 HD PBG 재료, 마리아 Florescu, 폴 M. 스테인 하트와 샐 Torquato의 발명가를 감사하고 우리에게 HD 점 패턴 및 지속적인 토론의 디자인을 제공합니다.

1 차원 Hyperuniform 무질서 유전체 구조를 디자인 11 <ol><li> 델 로니 테셀레이션을 사용하여 2D hyperuniform 장애 포인트 패턴의 서브 클래스 (그림 2에서 파란색 원)과 분할 (그림 2의 파란색 선)을 선택했다. 2D 델 로니 테셀레이션 각 삼각형의 최소 각도가 형성 극대화하고 각 삼각형 (11)의 외접원 내부의 다른 지점이없는 보장하는 삼각 측량이다. </li><li> 각 삼각형의 무게 중심 (그림 2에서 검은 색 원)를 찾습니다; 이러한 무게 중심은 반경 (R) (11)의 유전체로드의 위치이다. </li><li> 각 지점 (11)의 주위에 세포를 생성하기 위해 이웃 삼각형 (그림 2의 두께 레드 라인)의 무게 중심을 연결합니다. </li><li> 로드 및 벽 (14)을 조립 될에 구멍 슬롯에 2cm 높이 HD의 기본 템플릿에 대한 CAD 설계 파일을 만듭니다. 사용HD의 = 1.33 cm의 평균 내부로드의 간격 패턴과 구멍 반경을 설정은 2.5 mm 및 슬롯 폭이 0.38 mm로한다. 구멍 및 슬롯이 삽입 막대와 벽을 안정 깊이 1cm로에 대한 깊이를 설정합니다. </li><li> 비교 (14)에 대한 결정 기본 템플릿에 대한 유사한 CAD 설계 파일 (사각형 격자)를 만듭니다. HD 구조 (1.33 cm)과 같은 홀 반경 (2.5 mm) 및 슬롯 폭 (0.38 mm)와 같은 격자 상수를 사용합니다. </li></ol> 2 샘플 건설 및 준비 <ol><li> 템플릿을 제작합니다. 자외선 레이저 광 중합에 의해 고체 플라스틱 모델을 생성 조형기를 이용하여 HD 사각 격자 플라스틱 염기 제조. 예를 들어 폴리 카보네이트와 같은 플라스틱에 대한 명확한 수지를 사용합니다. 해상도는 모두 가로 및 세로 방향으로 0.1 mm이다. (중앙 패널을 그림 3 참조). </li><li> 빌딩 블록을 준비 : 주문 시중에서 판매하는 알루미나 연구ODS 및 정확한 치수 (그림 3, 왼쪽 패널 참조)로 잘라 얇은 벽. 예를 들어 10.0 cm를 들어, 몇 파장보다 작을 수 없습니다 높이를 설정합니다. 모든 막대의 지름은 5.0 mm이다. 벽 두께는 항상 0.38 mm이고 폭은 0.2 mm 단위로, 1.0 mm에서 5.3 mm로 다양합니다. </li><li> 밴드 갭 측정에 결함이없는 테스트 구조를 구축합니다. 원하는 구조 아키텍처의 기본으로로드 및 벽을 삽입합니다. 폴리머베이스에 모두로드와 벽의 건설 네트워크의 측면보기는 그림 3, 오른쪽 패널에 표시됩니다. </li><li> 도파관 또는 공동 결함 디자인 : 직접 제거하거나도 9a 및도 9c에 도시 된 바와 같이, 설계 경로를 따라로드 벽을 수정하여 샘플을 통해 다양한 도파관을 만듭니다. 샘플의 모듈 형 설계는 점과 선 또는 곡선 결함을 빠르고 쉽게 수정 할 수 있습니다. </li></ol> 3 주요 인스트루먼트 <ol><li> 정확한 1 Hz에서 주파수 해상도와 50 GHz의 45 메가 헤르츠의 주파수 범위와 전자 레인지를 제공하기 위해 합성 스위퍼 (마이크로파 발생 장치)를 사용합니다. 두 개의 포트 (단자) 사이의 전송 파라미터를 측정하기 위해 S-파라미터 테스트 세트에 발전기를 연결한다. 스위퍼 및 테스트 세트 사이의 통신을위한 범용 인터페이스 버스 (GPIB) 링크와 케이블을 사용하십시오. </li><li> S-매개 변수로부터 수신 된 신호를 처리하기 위해 마이크로 웨이브 벡터 네트워크 애널라이저 (VNA)를 사용하여 테스트 세트와 신호의 크기와 위상을 측정하기 위해. VNA는 주파수의 함수로서 포트 (2)로부터 소스 신호에 대하여 포트 1에서 검출 된 E-필드의 실수 및 허수 성분을 포함하는 데이터 파일에 출력되도록 S21 모드로 설정된 S-파라미터 테스트를 설정 </li></ol> (4) 장비 설정 <ol><li> / 끝 주파수를 시작합니다. US VNA를 이용한 측정 주파수 범위의 적절한 시작 및 종료 값을 선택어 메뉴를 선택합니다. PBG과 관련된 중요한 주파수 범위는 시료의 격자 간격의 유전체 인덱스에 의존한다. 격자 간격 = 1.33 cm와 알루미나 샘플 15 GHz의 마이크로파에 7 기가 헤르쯔를 사용합니다. </li><li> 계수를 평균화. 벡터 분석기는 랜덤 노이즈를 감소시키기 위해 여러 측정치의 평균에 기초하여 각각의 데이터 포인트를 계산한다. VNA 키패드에서 원하는 복수를 입력하여 4,096에 512에서 평균 계수를 선택합니다. 소음을 최소화하기 위해 더 높은 평균 계수를 선택하고 빠른 스캔 낮은 평균 계수를 선택했다. </li><li> 포인트의 수. 7 GHz의에서 15 GHz 범위의 측정을 위해 10 MHz의 주파수 해상도를 달성, VNA 화면 메뉴에서 데이터 포인트 (801)의 최대 수를 선택했다. </li><li> 보정. 직접 상대 전송 비율을 측정함으로써 시스템을 보정하고, 동일 배경과 혼 antenn 간의 샘플없이 미리 보정 된 설정의 전송에 대해 그것을 정상화로. 이렇게함으로써, 케이블, 어댑터, 도파관 및 안테나들로 인해 모든 배경 손실은 제거 될 수 있고 함께 및 시험 시료없이 상대 변속비 직접 기록된다. <ol><li> 밴드 갭 측정의 경우, 28의 거리에서 서로 대향 뿔 사이의 자유 공간을 통해 마이크로파 전송을 측정하고 VNA에 설정된 보정 같은 결과를 저장한다. 뿔 사이의 구조를 실제 실험 데이터를 맡기기 전에 VNA 모니터에 &quot;ON 교정&quot;을 선택하여 설정 한 보정을 켜십시오. VNA에 의해 산출 된 데이터는 교정 세트에 대해 자동으로 정상화와 함께 제자리에 샘플없이 송신 전력의 비율을 반환한다. </li><li> 샘플 도파관을 통해 송신 쉽게 자유 공간에서 두 개의 뿔 사이 보정 송신을 초과 할 수 있기 때문에 측정의 도파로, 의미있는 교정은 잘 정의되지 않는다. 전원을 켭니다보정에 VNA 오프 모니터링 및 소스 신호를 통해 검출 신호 인 것의 송신을 기록한다. 최고의 커플 링 효율을 달성하기 위해 바로 옆에 도파관 채널 개구에 뿔을 놓습니다. </li></ol></li></ol> (5) 실험 설정 <ol><li> 그림 4와 같이 실험 장치를 구성합니다. 입력 / 출력 도파로 S-파라미터 테스트 세트 포트를 연결하는 고품질의 세미 - 유연한 동축 케이블을 사용하십시오. 선형 편광으로 방사선을 보장하기 위해 직사각형 단일 모드 도파로와 어댑터를 통해 포트 피라미드 혼 안테나를 연결, 혼에서 방사선의 E-필드는 호른의 짧은 가장자리에 평행하다. </li><li> 밴드 갭 측정의 경우 : 결함이없는 샘플의 PBG를 특성화하기 위해 결함이없는 샘플을 통한 전송을 측정하기 위해 다음 단계를 준수. <ol><li> 서로 얼굴을 수직 및 수평으로 뿔을 맞 춥니 다. 시간 정렬충분히 먼 거리에 orns, 평균 파장의 20 배와 같은, 그래서 샘플 도달 원방 방사가 평면파에 근사 할 수있다. 테스트 샘플없이 자유 공간에서 마주 뿔 간의 전송을 교정하고 교정 메모리에 저장한다. </li><li> 마주 보는 2 개의 뿔 사이에 회전 무대에서 막대와 벽으로 만들어진 결함이없는 구조를 놓습니다. 단계 5.2.1 동안 VNA 메모리에 기록 된 보정 설정을 켭니다. 이제 시스템이 교정 메모리의 송신 전력에 대해 정규화 샘플 통해 상대 전송 비율을 측정 할 준비가되어있다. </li></ol></li><li> 도파관 캐비티 결함 측정의 경우 : 실험 설정에 대한 다음 단계를 준수 : <ol><li> 도 9a 및도 9c에 도시 된 바와 같이, 제거 또는 결함이없는 구조에 봉과 벽을 교체함으로써 다양한 도파관과 공동을 구축. </li><li> 정렬가능한 채널 개구에 가까운 뿔 채널로 양호한 결합을 보장한다. 만곡 및 굴곡 채널 개구 가장자리와 평행 채널의 중간에 뿔 센터. </li><li> 교정을 끕니다. 지금 VNA 측정 시스템 및 포트 1에서 소스 전력 통해​​ 포트 2에서 검출 된 전력의 것의 변속비를 기록 할 준비가되어있다. </li></ol></li></ol> (6) 데이터 수집 및 분석 <ol><li> 시료의 광 특성의 각도 의존성을 특성화 : <ol><li> 마주 보는 2 개의 뿔 사이에 회전 무대에서 거의 원형 경계와 봉과 벽을 만든 장소 구조. </li><li> VNA 메모리에 저장 교정 단계 5.2.2에서 켜져 있는지 확인하십시오. 제로 구조를 통해 회전 무대와 측정 전송에 각도 스케일. 제로 입사각 초기 측정 후, 시료를 회전과 동일한 각도 increm의 송신을 측정 할이러한 180 ° 회전까지 매 2 °로 엔트는 도달된다. </li></ol></li><li> 샘플에 대한 광 특성의 편광 의존성의 특성 : 경적 개구 방향을 변경하여, 각각이 서로 다른 편광에서 상기 모든 측정을 수행한다. TM 편광의 경우, 봉 샘플베이스와 평행 한 수평면에 수직 한 쪽 &#39;단변 (E-전계 방향)으로 설정한다. 단문 에지 (E-전계 방향)을 수평면이되도록 TE 편광의 경우, 어느 한 쪽을 90도 회전한다. </li><li> 다양한 도파관 채널을 특성화 : 교정 단계 5.3.3에서 해제되어 있는지 확인합니다. 최고의 커플 링에 대한 샘플 옆에있는 뿔을 놓습니다. 분리 및 / 또는 채널 경로를 따라 봉 및 벽을 대체하여 구성된 다양한 채널을 통해 전송을 측정한다. 실시간 VNA에 송신 신호를 모니터링하면서, 광고에 의한 채널 경로를 수정딩 여분 봉과 최적화 송신 전력 또는 원하는 필터링 대역폭 벽을 제거하는 단계를 포함한다. </li><li> 비교를 위해 사각형 격자 광결정 위에서 설명한 내용에 유사한 유사한 측정을 수행합니다. </li><li> 데이터 분석. 분석 및 MATLAB 같은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 상기 데이터를 그래프. 플롯은 도파관 채널 비록 샘플 또는 전송 패스를 통해 임시 방편을 연구하는 등 그림 5, 그림 2, 그림 9b 및도 9D 같은 기능 주파수 (선 그림)와 같은 전송을 측정 하였다. 도 6 및도 7에 도시 된 바와 같이 주파수 및 각도 (컬러 등고선 플롯)의 함수로서 플롯 송신은, 구조 및 그들의 각도 의존성의 스톱 밴드의 특성을 분석한다. </li><li> 이 프로토콜은 극성에서 협의하여 주파수 및 입사각의 함수로서 측정 된 샘플을 통해 송신을 제시 제안직접 회전 대칭성 및 광 특성의 각도 의존성을 시각화하기 위해서, 12에서든지. 직접 결정 구조의 브릴 리언 존 경계를 표시하고 수정 및 준결정의 PBG 형성 및 브래그 산란면 (브릴 리언 존 경계) 간의 관계를 나타 내기 위해 극 좌표 플롯을 생성한다. </li></ol>

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저자가 공개하는 게 없다.

hyperuniform 무질서 점 패턴으로부터 시작하여, 2 차원 구조는 HD 봉 및 / 또는 벽 네트워크가 모든 편광 11 완전한 PBG를 구하도록 설계 할 수 이루어진. 디자인을 바탕으로, 우리는 전자 레인지에서 테스트 할 수 cm 크기의에서 2D 알루미나 봉 및 벽 구조를 조립 구멍 및 슬롯 템플릿을 건설했다. 알루미나 봉 및 벽, 같은 cm 규모의 빌딩 블록이 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 우리는 전자 레인...

광자에 대한 밴드 갭의 존재는 일차원 스톱 밴드, 주기적 매체 (1)를 통해 전달되는 것이 금지 주파수 범위에 주 레일리 수행 이전 연구로부터 시작하여, 많은 과학 작품의 초점이되어왔다. 주기적 구조의 전자파 (EM) 전파에 대한 연구는 정말 E. Yablonovitch 2,3 및 S. 존 4의 정액 출판물 후 지난 20 년 동안 번성했다. 용어 &quot;광 결정&quot;은 포토 닉 밴드 갭 (PBG)를 갖고주기 유전체 구조를 설명하는 Yablonovitch 의해 만들어졌다. 광자 결정은주기의 방향으로 번역에서 불변을 렌더링, 이산 병진 대칭성을 가진주기적인 유전체 구조입니다. 이주기가 들어오는 전자기 (EM) 파의 파장과 일치, 밴드 오F 주파수는 높은 감쇠되고 전파하지 않을 수 있습니다. 충분히 넓은 경우에도 스톱 밴드라고 금지 주파수 범위는, 특정 주파수의 광자의 존재를 금지, PBG를 생성하기 위해 모든 방향으로 중첩 될 수있다. 개념적으로, 광결정에서 EM 파의 전파는 밴드 갭이라고도 전자 에너지의 금지 된 영역을 가지고, 반도체 재료에서 전파를 일렉트론 유사하다. 제어 엔지니어가 반도체 통한 전자의 흐름을 변경하는 반도체를 채용 한 방법과 유사하게, PBG 재료는 광학 제어를 필요로하는 다양한 용도에 사용될 수있다. 예를 들어, PBG 재료는 파장의 크기 캐비티에서 특정 주파수의 광을 제한 할 수 있고, 그들 5 라인 결함을 따라 가이드 또는 광 필터. PBG 물질은 전기 통신 (6)에 애플리케이션에 빛의 흐름을 제어하는데 사용되는 것을 권장합니다, 레이저 7, 광 회로와 광학 컴퓨팅 팔, 태양 에너지 수확 구. 2 차원 (2D) 정사각형 격자 포토 닉 결정은 4 배의 회전 대칭성을 갖는다. 입사 다른 각도에서 결정을 입력 EM 파도 (예를 들어, 0 °, 격자 평면에 대하여 45 °)는 다른 주기성에 직면하게 될 것이다. 상이한 방향으로 브래그 산란 재료의 매우 높은 굴절률 콘트라스트없이 PBG를 형성하기 위해 모든 방향으로 중첩되지 않을 수의 서로 다른 파장 대역을 중지하도록 이끈다. 또한, 2 차원 구조에서, 두 개의 다른 EM 파 편광 횡 전기 (TE) 및 횡 자기 (TM)는 종종 심지어 어렵게 모든 편파 05 모든 방향으로 완전한 PBG를 형성 할 수있게, 서로 다른 주파수에서의 밴드 갭을 형성한다. 주기적인 구조에서, 회전 대칭의 제한된 선택이 고유 이방성로 이어질 (angula뿐만 아니라이 어려워 질 R 의존성), 완전한 PBG를 형성 할뿐만 아니라 매우 기능적 결함의 설계 자유도를 제한한다. 예를 들어, 도파관 설계는 광 결정 (10)에서 주요 대칭 방향의 매우 한정된 선택이 따라 제한 될 것으로 입증된다. 주기성으로 인해 이러한 한계를 능가하는 영감, 많은 연구는 틀에 얽매이지 않는 PBG 재료에 지난 20 년에 완료되었습니다. hyperuniform 장애 (HD) PBG 구조 11 : 최근 무질서 재료의 새로운 클래스 또는 주기성 quasiperiodicity의 부재하에 완전한 PBG 등방성을 소유하는 것이 제안되었다. 포토 닉 밴드 장애 구조의 정확한 분석 솔루션을 필요가 없습니다. 무질서한 구조의 광 특성의 이론적 연구는 시간 소모적 수치 시뮬레이션에 한정된다. 밴드를 계산하기 위해, 시뮬레이션은 슈퍼 셀 근사 방법 및 호 텔을 채용 할 필요lable가 컴퓨팅 파워가 슈퍼 셀의 유한 한 크기를 제한 할 수있다. 이러한 구조를 통해 송신을 계산하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션은 종종 이상적인 조건으로 소스 및 검출기, 실제 입사 EM 파 프로파일 사이의 커플 링 등에 따라서 방치 실제 문제를 가정하고, 배향 결함 (12). 또한, 시뮬레이션 된 구조의 변경 (설계 결함) 시뮬레이션의 또 다른 라운드를 필요로한다. 인해 슈퍼 셀의 최소 의미의 큰 크기로, 체계적 이들 무질서 재료 각종 결함 설계 구조를 탐구하는 매우 지루하고 비실용적이다. 우리는 실험적으로 무질서 광자 구조를 연구함으로써 이러한 계산 문제를 피할 수 있습니다. 실험을 통해 우리는 HD 구조에 완전한 PBG의 존재를 확인 할 수 있습니다. 마이크로파 실험을 사용하여, 우리는 위상 정보를 획득하고, 필드를 밝힐 수 DISTRI그 (것)들에있는 기존 광자 상태 bution 및 분산 특성. cm 규모에서 쉽게 수정 및 모듈 샘플을 사용하여, 우리는 무질서 시스템에서 다양한 도파관 캐비티 (결함) 디자인을 테스트하고 PBGs의 견고성을 분석 할 수 있습니다. 복잡한 무질서 광자 구조의 이러한 종류의 분석은 수치 또는 이론적 연구를 통해 얻을 중 하나 비현실적 불가능하다. 설계 프로세스는 &quot;은폐&quot;hyperuniform 점 패턴 (13)을 선택함으로써 시작한다. Hyperuniform 포인트 패턴은 반경 R의 &quot;구형&quot;샘플링 창 내의 지점의 수의 차이는, D-차원 R (d)보다 더 느리게, 즉 큰 R 용 윈도우 음량보다 느리게 성장하는 시스템이다. 예를 들어, 점 패턴의 임의의 2 차원 포아송 분포에서, 영역 R에서의 지점의 수의 차이는 R &lt;비례SUP&gt; 2. 그러나 hyperuniform 장애 점 패턴, 반경 R의 창의 지점의 분산, R에 비례한다. 1 hyperuniform 무질서 점 패턴 및 포아송 점 패턴 (11) 사이의 비교를 보여준다. 우리는 (11)가 &quot;몰래&quot;라고 hyperuniform 무질서 점 패턴의 서브 클래스를 사용합니다. 알 Florescu 11 등으로 설명한 프로토콜 설계를 사용하여, 우리는 수정 유사한 2D hyperuniform 유전 구조체를 만드는, 유전체 벽과 봉 네트워크를 구성하지만, 주기성 및 등방성 고유 제한없이. 봉 TM 편광으로 밴드 갭을 형성하는 것이 바람직하다 동안 벽 네트워크는, TE 편광의 밴드 갭에 유리하다. 샘플은 쉽게 다른 편파와 introd위한 용도 변경 될 수 있도록 모듈 형 설계가 개발되었다프리폼 도파관 캐비티 결함 ucing. 맥스웰 방정식의 스케일 불변성으로 인해, 전자 레인지 정권에서 관찰 된 전자기 특성은 샘플 마이크론 및 서브 마이크론 크기를 확장 할 것입니다 적외선 및 광학 정권에 직접적으로 적용 할 수 있습니다.

<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

최근, 포토 닉 재료는 무질서한 완전한 포토 닉 밴드 갭 (PBG)의 형성을위한주기적인 결정의 대안으로서 제안되었다. 이 문서에서 우리는 건설, 전자 레인지를 사용하여 거시적 인 무질서 광자 구조를 특징 짓는 방법을 설명합니다. 전자 레인지 정권은 PBG 미디어를 구축하고 테스트 할 수있는 가장 편리한 실험 샘플 크기를 제공합니다. 쉽게 넘어 유전체 격자 구성 요소는 미리 인쇄 된 플라스틱 템플릿 위에 다양한 2D 구조를 구축하는 유연성을 연장한다. 내장되면, 구조는 신속하게 자유 도파관과 필터를 만들기 위해 점과 선 결함이 수정 될 수 있습니다. 테스트는 널리 사용되는 벡터 네트워크 분석기와 전자 혼 안테나의 쌍을 사용하여 수행됩니다. 전자기장의 스케일 불변 특성 때문에, 우리는 마이크로파 영역에서 얻어진 결과는 직접적으로 적외선 및 광학 영역에 적용될 수있다. 우리의 접근 방식은 간단하지만 EXCI 제공빛과 무질서한 물질 상호 작용의 성질에 팅 새로운 통찰력. 우리의 결과는 대표적인 2 차원 (2D) hyperuniform 무질서 유전 구조체에서 완전한 등방성 PBG의 존재를 처음 실험적 증명을 포함한다. 또한 우리는 실험적으로 임의의 형상의 프리폼 도파로를 통해 전자파 (EM)을 안내하는 광이 신규 한 구조의 능력을 증명한다.

우리는 지금까지 hyperuniform 질환 유전체 구조의 등방성 완전한 PBG 존재의 첫번째 확인을 달성했다. 여기에, 우리는 우리의 HD 구조의 결과를 제시하고주기적인 사각형 격자 광자 결정의와 비교합니다. 도 5는 하나의 입사각 hyperuniform 장애 구조 주파수 (헤르쯔) 대 TE 편광 전달 (dB)의 세미 로그 그래프를 보여준다. 이 그래프는 스톱 밴드 영역은 송신 강도가 크기 2 ...

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

무질서 구조는 기능 결함 설계에서 광 밴드 갭 전례없는 자유를 형성하기위한 새로운 메커니즘을 제공합니다. 무질서 시스템의 계산 문제를 회피하기 위해, 우리는 PBG 재료의 새로운 클래스의 모듈 형 거시적 샘플을 구성하고 쉽고 저렴한 방법으로 자신의 규모 불변 광 특성을 특성화하기 위해 전자 레인지를 사용합니다.

무질서 광 밴드 갭 (photonic bandgap) 재료의 광자 속성을 연구에 전자 레인지 및 유전체 고체의 육안 샘플을 사용하여

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 조회수.  San Francisco State University.  무질서 구조는 기능 결함 설계에서 광 밴드 갭 전례없는 자유를 형성하기위한 새로운 메커니즘을 제공합니다. 무질서 시스템의 계산 문제를 회피하기 위해, 우리는 PBG 재료의 새로운 클래스의 모듈 형 거시적 샘플을 구성하고 쉽고 저렴한 방법으로 자신의 규모 불변 광 특성을 특성화하기 위해 전자 레인지를 사용합니다. 

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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.

충전 분리 Nanocrystals와 고체를 통해 태양 에너지를 수확

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

연구

공학

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.

소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄

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).

광자 크리스탈 느린 경 Waveguides 그리고 안의 공간의 제조 및 특성

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.

동시 수량 전도성과 AFM을 사용하여 유기 태양 광 재료의 기계적 성질 측정

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.

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

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.

전기 활성 고분자 나노 입자 출전 광열 등록

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.

펨토초 레이저에 의한 절제를 사용하여 나노 섬유에 1-D 광자 크리스탈 캐비티의 제작

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.

시간 해결 전자 전도도를 통해 박막 태양 광 재료의 재조합 역학

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.

정유 공정 조건에서 오일 샘플의 위상 행동 제자리 시각화에서

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.