Este trabalho foi parcialmente financiado pela Corporação de Investigação em Ciências Avanço (Grant 10626), National Science Foundation (DMR-1308084), eo prêmio interno San Francisco State University para WM Agradecemos ao nosso colaborador Paul M. Chaikin da NYU para discussões úteis em delineamento experimental e para fornecer o sistema de VNA para usarmos no local SFSU. Agradecemos aos nossos colaboradores teóricos, o inventor dos materiais HD PBG, Marian Florescu, Paul M. Steinhardt e Sal Torquato para várias discussões e por nos fornecer o desenho do padrão de ponto HD e discussões contínuas.

1. criar uma estrutura 2D Hyperuniform desordenado dielétrica 11 <ol><li> Escolheu uma subclasse de padrão ponto desordem hyperuniform 2D (círculos azuis na Figura 2) e particioná-lo (linhas azuis na Figura 2) com Delaunay tessellation. A tessellation 2D Delaunay é uma triangulação que maximiza o ângulo mínimo para cada triângulo formado e garante que não há outros pontos dentro da circunferência de cada triângulo 11. </li><li> Localize os centróides de cada triângulo (círculos pretos sólidos na Figura 2); estes centroides são as localizações das varetas dieléctricas do raio r 11. </li><li> Ligue os centróides dos triângulos vizinhos (linhas vermelhas grossas na Figura 2) para gerar as células ao redor de cada ponto 11. </li><li> Criar o arquivo de design CAD ​​para o modelo de base de altura HD 2 cm, com buracos e fendas em que as hastes e as paredes serão montados 14. Use umaPadrão HD com o espaçamento médio interior-rod de a = 1,33 centímetros e definir o hole-raio para ser de 2,5 mm e slot-largura a ser 0,38 milímetros. Defina a profundidade de buracos e ranhuras para ser 1 cm de profundidade para estabilizar as barras e paredes inseridos. </li><li> Crie um arquivo de desenho CAD semelhante para o modelo de embasamento cristalino (a rede quadrada) para comparação 14. Utilizar a mesma constante de rede como a estrutura HD (1,33 cm) e ao mesmo orifício de raio (2,5 mm) e da ranhura de largura (0,38 mm). </li></ol> 2 Amostra Construção e Preparação <ol><li> Fabricar o modelo. Fabricar o HD e bases malha de plástico quadrado, usando uma máquina de prototipagem rápida, que produz um modelo de plástico sólido por ultravioleta do laser foto-polimerização. Use uma resina clara, por exemplo policarbonato como o plástico. A resolução é de 0,1 mm em ambas as direcções laterais e verticais. (Ver Figura 3, painel central). </li><li> Prepare os blocos de construção: Ordem disponível comercialmente r Aluminaods e paredes finas cortados em dimensões precisas (ver Figura 3, à esquerda do painel). Defina a altura para ser nada menos do que alguns comprimentos de onda, por exemplo, 10,0 centímetros. O diâmetro de todas as hastes é de 5,0 mm. A espessura da parede é sempre 0,38 milímetros e larguras variam de 1,0 milímetros a 5,3 mm, com incrementos de 0,2 mm. </li><li> Construa a estrutura de teste sem defeitos para medições de bandgap. Inserir varas e paredes para a base para a arquitectura estrutura desejada. A vista lateral da rede construída de ambas as hastes e as paredes da base de polímero é mostrado na Figura 3, painel da direita. </li><li> Design de um guia de ondas ou um defeito da cavidade: Criar vários guias de onda através das amostras directamente removendo ou modificando as hastes e paredes ao longo do percurso concebido, conforme mostrado nas Figuras 9A e 9C. O design modular das amostras permite a modificação fácil e rápido de ponto e linha ou curva defeitos. </li></ol> 3. Principais Instrumentos <ol><li> Use uma vassoura sintetizado (gerador de microondas) para fornecer microondas com cobertura de 45 MHz de freqüência de 50 GHz com precisão resolução de freqüência 1 Hz. Ligue o gerador de um conjunto de teste S-parâmetro para medir parâmetros de transmissão entre os dois portos (terminais). Uso geral de interface de barramento (GPIB) ligações e cabos para comunicações entre o varredor eo test-set. </li><li> Usar um analisador de microondas Vector Network (VNA) para processar o sinal recebido a partir do parâmetro S e para medir a magnitude do sinal e a fase de ajustar-teste. Definir o teste S-conjunto de parâmetros para o modo de S21 de modo a que o VNA produz um ficheiro de dados que contém os componentes reais e imaginários do campo E detectada na porta 1 com respeito à fonte de sinal de porta 2 como uma função de frequência </li></ol> 4 Configuração do Instrumento <ol><li> Iniciar / Frequência Final. Selecione os valores iniciais e finais apropriados da faixa de freqüência para a medição usando o VNA-nosMenu er. A gama de frequências em causa associada com PBG depende do índice de dieléctrico de espaçamento da rede de amostras. Use 7 GHz a 15 GHz para microondas das amostras de alumina com espaçamento de rede a = 1,33 cm. </li><li> Calculando a média Factor. Vector analisador calcula cada ponto de dados com base na média de medições múltiplas para reduzir o ruído aleatório. Selecione um fator de média de 512 a 4096, introduzindo o múltiplo desejado no teclado VNA. Escolha um maior média para minimizar o ruído e escolheu um fator média mais baixa para uma varredura mais rápida. </li><li> Número de pontos. Para medições na faixa de 7 GHz a 15 GHz, escolheu o número máximo de pontos de dados (801), no menu VNA na tela, para alcançar uma resolução de 10 MHz de freqüência. </li><li> Calibração. Calibrar o sistema medindo directamente a relação de transmissão relativa, e normalizar contra a transmissão de uma configuração pré-calibrado com o mesmo fundo e sem a amostra entre o antenn cornocomo. Ao fazer isso, a perda de todo o fundo devido aos cabos, adaptadores, guias de onda e antenas pode ser eliminado, e a relação de transmissão relativa com e sem a amostra testada é directamente gravada. <ol><li> Para medições de bandgap, medir a transmissão de microondas através do espaço livre entre os chifres frente para o outro a uma distância de 28 a e salvar os resultados como um conjunto de calibragem na VNA. Antes de tomar os dados para o experimento real com uma estrutura entre os chifres, ligue o conjunto de calibragem selecionando &quot;CALIBRAÇÃO ON&quot; no monitor VNA. Dados calculados pelo VNA será automaticamente normalizados contra o conjunto de calibração e devolver o rácio de transmissão de energia, com ou sem a amostra no lugar. </li><li> Para medições de guia de ondas, uma calibração significativa não está bem definida, uma vez que a transmissão através de guias de onda de amostra podem facilmente exceder a transmissão calibrada entre as duas trompas em espaço livre. Turnofora de calibração no VNA monitorar e registar a transmissão em bruto, o qual é o sinal detectado ao longo da fonte de sinal. Coloque as pontas junto às aberturas dos canais de guia de onda para obter a melhor eficiência de acoplamento. </li></ol></li></ol> 5. Setup Experimental <ol><li> Configurar a configuração experimental mostrado na Figura 4. Use alta qualidade de cabos coaxiais semi-flexíveis para conectar as portas set-teste parâmetro-s com guias de onda de entrada / saída. Conecte antenas chifre piramidais com as portas através de guias de ondas retangulares monomodo e adaptadores para garantir a radiação a ser polarizada linearmente, o campo elétrico da radiação a partir do chifre é paralela à borda curta do chifre. </li><li> Para medições de bandgap: Siga os seguintes passos para medir a transmissão através das amostras livres de defeitos para caracterizar o PBG das amostras grátis de defeitos. <ol><li> Alinhe os chifres vertical e horizontalmente para enfrentar um ao outro. Organizar o hORNs a uma distância suficientemente longe, tal como de 20 vezes o comprimento de onda média, de modo que a radiação de campo distante atingir a amostra podem ser aproximadas para ondas planas. Calibrar a transmissão entre os chifres enfrentam em espaço livre sem a amostra de teste e armazená-lo na memória de calibração. </li><li> Coloque estruturas sem defeitos feitos de varetas e paredes na fase de rotação entre as duas trompas de frente. Ligue o conjunto de calibração gravado na memória VNA durante a etapa 5.2.1. O sistema está agora pronto para medir a relação de transmissão relativa através da amostra normalizada contra a potência de transmissão da memória calibrado. </li></ol></li><li> Para guias de onda e medições defeitos da cavidade: Siga os seguintes passos para configurar os experimentos: <ol><li> Construir vários guias de onda e as cavidades por remoção ou substituição de hastes e as paredes das estruturas sem defeitos, conforme mostrado nas Figuras 9A e 9C. </li><li> Arrume ochifres tão próximo às aberturas dos canais possíveis para garantir um bom acoplamento para o canal. Para canais curvos dobrados e centrar as pontas no meio do canal com o bordo paralelo à abertura. </li><li> Desligue calibração. Agora, o sistema VNA está pronto para medir e registrar a relação de transmissão bruto do poder detectada no porto 2 sobre a fonte de energia no porto 1. </li></ol></li></ol> 6 Aquisição de Dados e Análise <ol><li> Caracterizar a dependência angular das propriedades fotônicas das amostras: <ol><li> Colocar as estruturas feitas de hastes e as paredes com um limite quase circular em uma fase de rotação entre as duas trompas de frente. </li><li> Certifique-se de que a calibração guardado na memória do VNA é ligado na etapa 5.2.2. Zero a escala angular no palco e medida de transmissão de rotação através da estrutura. Após a mensuração inicial no ângulo de incidência zero, girar a amostra e medir a transmissão em INCREM ângulo igualentos, como a cada 2 ° até 180 ° de rotação é atingido. </li></ol></li><li> Caracterizar a dependência de polarização das propriedades fotônicas para as amostras: Executar todas as medidas acima descritas em duas polarizações diferentes, respectivamente, alterando as orientações abertura chifre. Para a polarização TM, definida pela borda curta dos chifres (a direcção de campo E) perpendiculares ao plano horizontal da base da amostra e paralela às hastes. Por polarização TE, rodar as pontas de 90 graus, de modo que os seus bordos curtos (a direcção de campo E) estão dentro do plano horizontal. </li><li> Caracterizar vários canais guias de onda: Certifique-se de que a calibração é desligado no passo 5.3.3. Coloque os chifres ao lado da amostra para melhor acoplamento. Medir a transmissão através de vários canais construídos por eliminação e / ou substituição de hastes e paredes ao longo do caminho do canal. Durante a monitorização do sinal de transmissão no VNA em tempo real, modificar o caminho do canal por anúncioding e desmontagem dos tirantes e as paredes de transmissão de energia optimizada, ou largura de banda desejada de filtragem adicionais. </li><li> Realizar medições análogas à semelhança do que está descrito acima em uma estrutura de cristal fotônico quadrado para comparação. </li><li> A análise dos dados. Analisar e representar graficamente os dados usando um programa de computador, como o MATLAB. Lote transmissão medido como uma função de frequência (trama), tal como a Figura 5, Figura 2, e Figura 9B e 9D para estudar o substituto através da transmissão de amostras ou passe embora os canais de guia de onda. Transmissão de trama, em função da frequência e ângulo (cor contorno trama) para analisar as características bandas de paragem das estruturas e sua dependência angular, como mostrado na Figura 6 e Figura 7. </li><li> Este protocolo sugere apresentar a transmissão medido através das amostras em função da frequência e ângulo de incidência em coorde polarnates 12, a fim de visualizar diretamente as simetrias de rotação e dependência angular das propriedades fotônicas. Gerar as parcelas de coordenadas polares para mostrar diretamente os limites da zona de Brillouin de estruturas cristalinas e revelam a relação entre a formação PBG e Bragg aviões espalhamento (limites da zona de Brillouin) em cristais e quasicristais. </li></ol>

<ol>
	<li>Strut, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).</li><li>Yablonovitch, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibited+spontaneous+emission+in+solid-state+physics+and+electronics.">Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).</li><li>Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+band+structure:+The+face-centered-cubic+case.">Photonic band structure: The face-centered-cubic case.</a> Phys. Rev. Lett. 63, 1950-1953 (1989).</li><li>Sajeev, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strong+localization+of+photons+in+Certain+Disordered+Dielectric+super+lattices.">Strong localization of photons in Certain Disordered Dielectric super lattices.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).</li><li>Joannopoulos, J., Johnson, S. G., Winn, J. N., Mead, R. 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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>

Os autores não têm nada a revelar.

Começando a partir de um padrão de ponto desordenada hyperuniform, estruturas HD 2D consiste hastes e / ou rede de parede podem ser concebidos para se obter uma completa PBG para todos polarização 11. Com base no projeto, construímos um modelo com buracos e ranhuras para montagem de varas 2D alumina e paredes estruturas em cm escala que poderia ser testada com micro-ondas. Optamos por trabalhar com micro-ondas, porque blocos cm-escala, como hastes e paredes alumina, são baratos e de fácil manuseio. Tem...

A existência de um bandgap para fótons tem sido o foco de muitos trabalhos científicos, a partir dos estudos anteriores feitos por Lord Rayleigh na unidimensional stop-band, uma faixa de freqüências que são proibidos de propagação através de um meio periódica 1. A investigação sobre ondas eletromagnéticas (EM) propagação em estruturas periódicas tem realmente floresceu nas últimas duas décadas após as publicações seminais de E. Yablonovitch 2,3 e S. João 4. O termo &quot;cristal fotônico&quot; foi cunhado por Yablonovitch para descrever as estruturas dielétricas periódicas que possuíam um bandgap fotônico (PBG). Cristais fotônicos são estruturas dielétricas periódicas que possuem simetrias translacionais discretos, tornando-invariante sob traduções em direções de periodicidade. Quando esta periodicidade é combinado com os comprimentos de onda eletromagnética (EM) ondas de entrada, uma banda ofrequências f torna-se muito atenuada e pode parar de propagação. Se grande o suficiente, as faixas de freqüências proibidas, também chamados de bandas de parada, podem sobrepor-se em todas as direções para criar uma PBG, proibindo a existência de fótons de determinadas freqüências. Conceptualmente, a propagação da onda EM em cristais fotónicas é semelhante à propagação da onda de electrões em materiais semicondutores, que têm uma região vedada de energias de electrões, também conhecido como uma banda proibida. Semelhante à maneira engenheiros têm utilizado semicondutores para controlar e modificar o fluxo de electrões através de materiais semicondutores, PBG pode ser usado para várias aplicações que requerem controle óptico. Por exemplo, materiais PBG pode confinar a luz de certas frequências em cavidades do tamanho do comprimento de onda, e guia ou filtro de luz ao longo de defeitos de linha em 5 deles. Materiais PBG são sugeridos para ser utilizado para controlar o fluxo de luz para aplicações em telecomunicações 6, Lasers 7, circuitos ópticos e computação óptica 8 e captação de energia solar 9. A bidimensional (2D) rede quadrada de cristal fotônico tem simetria de rotação de 4 vezes. EM ondas que entram no cristal em diferentes ângulos de incidência (por exemplo, 0 ° e 45 ° em relação aos planos da rede) terá de enfrentar diferentes periodicidades. Bragg dispersão em direcções diferentes leva a deixar de bandas de comprimentos de onda diferentes que podem não se sobrepõem em todas as direcções de modo a formar um PBG, sem contraste muito alto de índice de refracção do material. Além disso, em estruturas 2D, duas polarizações onda EM diferentes, transversal elétrico (TE) e transversal magnética (TM), muitas vezes formam bandgaps em diferentes freqüências, tornando ainda mais difícil para formar um PBG completa em todas as direções para cada polarização 5. Em estruturas periódicas, as opções limitadas de simetria rotacional levar a anisotropia intrínseca (angular dependência), que não só torna mais difícil para formar um PBG completa, mas também limita em muito a liberdade de design de defeitos funcionais. Por exemplo, projetos de guia de onda são provou ser restrito ao longo escolhas muito limitadas de grandes direções de simetria em cristais fotônicos 10. Inspirado para superar essas limitações, devido à periodicidade, muita pesquisa tem sido feito nos últimos 20 anos sobre os materiais PBG não convencionais. Recentemente, uma nova classe de materiais desordenados foi proposto para possuir uma isotrópica PBG completa na ausência de periodicidade ou quasiperiodicity: Transtorno hyperuniform (HD) estrutura PBG 11. As bandas fotônicas não tem solução analítica exata em estruturas transtorno. Teórico estudo das propriedades das estruturas fotónicas desordenadas é limitado a simulações numéricas demoradas. Para calcular as bandas, a simulação tem de empregar um método de aproximação de super-célula e o dispopoder computacional etiqueta pode limitar o tamanho finito de a-célula super. Para calcular a transmissão através destas estruturas, simulações de computador muitas vezes assumem condições ideais e problemas do mundo real, assim como negligenciar o acoplamento entre a fonte eo detector, o incidente real perfil da onda EM, e alinhamento imperfeições 12. Além disso, qualquer (projeto defeito) modificação da estrutura simulada exigiria uma nova rodada de simulação. Devido ao grande tamanho do significado mínimo para super-célula, é muito tedioso e impraticável para explorar sistematicamente diversas arquitecturas de design defeito para estes materiais desordenados. Podemos evitar esses problemas computacionais através do estudo das estruturas fotônicas desordenados experimentalmente. Através de nossas experiências, somos capazes de verificar a existência do PBG completo em estruturas HD. Usando experiências de micro-ondas, podemos também obter informações de fase e revelar os distri campobuição e dispersão propriedades de estados fotônicos existentes neles. Usando uma amostra facilmente modificáveis ​​e modular em cm escala, podemos testar várias guia de ondas ea cavidade (defeito) projetos nos sistemas desordenados e analisar a robustez dos PBGs. Esse tipo de análise de estruturas fotônicas desordenados complexas ou é impraticável ou impossível de obter através de estudos numéricos ou teóricas. O processo de design começa com a seleção de um padrão ponto hyperuniform &quot;furtivo&quot; 13. Padrões de pontos Hyperuniform são sistemas nos quais o número de variância dos pontos dentro de uma &quot;esférica&quot; ​​janela de amostragem de raio R, cresce mais lentamente do que o volume grande janela para R, isto é, mais lentamente do que R d em d-dimensões. Por exemplo, num padrão aleatório de Poisson 2D padrão de ponto, a variância do número de pontos no domínio R é proporcional a R &lt;sup&gt; 2. No entanto, num padrão de ponto desordem hyperuniform, a variância dos pontos de uma janela de raio R, é proporcional a R. Figura 1 mostra uma comparação entre um padrão de ponto desordenada hyperuniform e um padrão de pontos 11 de Poisson. Usamos uma subclasse de padrões de pontos desordenada hyperuniform chamado &quot;furtivo&quot; 11. Utilizando o protocolo descrito no desenho Florescu et al, 11, construímos uma rede de paredes e varetas dieléctricas, criando uma estrutura dieléctrica hyperuniform 2D semelhante a um cristal, mas sem as limitações inerentes à periodicidade e isotropia. As redes de parede são favoráveis ​​para a polarização TE-banda proibida, enquanto as varetas são preferíveis para a formação de lacunas banda com polarização TM-. Uma concepção modular foi desenvolvida, de modo a que as amostras possam ser facilmente modificado para utilização com diferentes polarizações e para introducing guias de onda de forma livre e defeitos da cavidade. Devido à invariância de escala das equações de Maxwell, as propriedades eletromagnéticas observados no regime de microondas são directamente aplicáveis ​​aos regimes de infravermelho e de óptica, onde as amostras seriam escalados para micro e submicrï¿½icas tamanhos.

<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

Recentemente, materiais fotónicas desordenados têm sido sugeridos como uma alternativa aos cristais periódicas para a formação de uma banda proibida fotónica completo (PBG). Neste artigo vamos descrever os métodos para a construção e caracterização de estruturas fotônicas desordenados macroscópicas utilizando microondas. O regime de microondas oferece o tamanho da amostra experimental mais conveniente para construir e testar meios PBG. Componentes de treliça dielétricos manipulados facilmente estender flexibilidade na construção de diversas estruturas 2D em cima de modelos de plástico pré-impressos. Uma vez construídas, as estruturas podem ser rapidamente modificado com defeitos pontuais e linha para fazer guias de onda de forma livre e filtros. O teste é feito usando um amplamente disponíveis Vector Network Analyzer e pares de antenas chifre microondas. Devido à propriedade de invariância de escala de campos electromagnéticos, os resultados obtidos na região de microondas pode ser aplicado diretamente sobre as regiões de infravermelhos e ópticas. Nossa abordagem é simples, mas oferece exciting uma nova visão sobre a natureza da interação matéria leve e desordenada. Os resultados representativos incluem a primeira demonstração experimental da existência de um PBG completa e isotrópica em uma estrutura desordenada dieléctrico bidimensional hyperuniform (2D). Além disso, demonstramos experimentalmente a capacidade dessa estrutura fotônica novela para guiar ondas eletromagnéticas (EM), através de guias de onda de forma livre de forma arbitrária.

Conseguimos a primeira confirmação da história de um isotrópico completa PBG presentes no transtorno hyperuniform estruturas dielétricas. Aqui, apresentamos nossos resultados estrutura HD e compará-los ao de uma rede quadrada de cristal fotônico periódico. A Figura 5 mostra um gráfico de semi-log de ​​transmissão polarização TE (dB) versus frequência (GHz) para uma estrutura em desordem hyperuniform um ângulo de incidência. Este gráfico mostra que a regi?...

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

Estruturas desordenadas oferecer novos mecanismos para a formação de bandgaps fotônicos e liberdade sem precedentes em projetos funcionais de defeitos. Para driblar os desafios computacionais de sistemas desordenados, construímos amostras macroscópicas modulares da nova classe de materiais PBG e utilizar microondas para caracterizar suas propriedades fotônicas escala invariante, de uma forma fácil e barata.

Usando microondas e amostras macroscópicas de dielétricos sólidos para estudar as propriedades fotônicas de desordenados fotônicos Bandgap Materiais

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 visualizações.  San Francisco State University.  Estruturas desordenadas oferecer novos mecanismos para a formação de bandgaps fotônicos e liberdade sem precedentes em projetos funcionais de defeitos. Para driblar os desafios computacionais de sistemas desordenados, construímos amostras macroscópicas modulares da nova classe de materiais PBG e utilizar microondas para caracterizar suas propriedades fotônicas escala invariante, de uma forma fácil e 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.

Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos

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

Engenharia

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 impressão 3D usando um projetor digital e sua aplicação no estudo de Mecânica dos materiais macios

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).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e 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.

Condutividade quantitativa concorrente e Medidas mecânicas de materiais fotovoltaicos orgânicos 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 rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-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.

Propriedades eletroativo Polymer Nanopartículas Exhibiting fototérmicos

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.

Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser 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.

Recombinação Dynamics em Thin-film materiais fotovoltaicos via Condutividade Microondas resolvida no tempo

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 Visualização do comportamento da fase de Amostras de óleo sob Refinaria Condições do Processo

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.