Использование Микроволновая печь и макроскопических образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойства неупорядоченных фотонных запрещенной зоны материалов
26 сентября 2014 г.
Неупорядоченных структурах предложить новые механизмы формирования фотонных запрещенных зон и беспрецедентную свободу в функционально-дефектных конструкций. Чтобы обойти вычислительные проблемы неупорядоченных систем, мы построим модульные макроскопические образцы нового класса PBG материалов и использовать микроволновые печи для характеристики их масштабно-инвариантной фотонные свойства, в простой и недорогой образом.
Общая цель данного эксперимента заключается в использовании микроволновых образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойств неупорядоченных фотонных материалов запрещенной зоны. Это достигается за счет создания тестовых образцов, изготовленных из диэлектрических компонентов, вставленных в напечатанный на 3D-принтере базовый шаблон с отверстиями и пазами, расположенными для формирования определенных упорядоченных или неупорядоченных узоров. В качестве второго шага поместите образец на вращающийся столик между парой микроволновых рупорных антенн и проведите измерения передачи в широком диапазоне частот для различных углов падения, что позволит определить свойства запрещенной зоны конструкции.
Затем модифицируйте структуру, чтобы сформировать функциональный дефект, и выполните измерения пропускания, чтобы изучить волноводные и резонирующие свойства модифицированных структур. Получены результаты, показывающие частотный диапазон и угловую зависимость конструкций от запрещенной зоны, а также выполнение их функциональных дефектов на основе анализа измеряемого спектра пропускания. Основное преимущество этого метода численного моделирования и эксперимента субмикронного масштаба заключается в том, что этот метод позволяет избежать использования огромного количества конкурирующих ресурсов и дорогостоящего субмикронного производства, так что можно быстро и недорого сконструировать беспорядок, фотонный материал запрещенной зоны, модифицировать его с помощью произвольного дизайна дефектов и напрямую охарактеризовать их фотонные свойства.
Применение этого метода распространяется на любую фотонную систему, включая видимую и инфракрасную области. Поскольку микроуравнения масштабируются в вариантах, точно такой же дизайн и результаты могут быть применены к видимому свету, когда запер уменьшается в 10 000 раз. Идеи. Это видео начинается после того, как была спроектирована двумерная гипероднородная неупорядоченная диэлектрическая структура и изготовлено ее основание.
Основа изготовлена из прозрачной смолы и имеет отверстия и прорези, на которых будет собираться неупорядоченная конструкция. Для сравнения также было изготовлено второе квадратное решетчатое основание. Каждая база имеет высоту два сантиметра с этими элементами наготове.
Обратите внимание на строительные блоки, которые будут использоваться для строительства конструкций. Приобретаются стержни Illumina и тонкие стенки, которые имеют высоту не менее нескольких длин волн здесь, 10 сантиметров. Диаметр всех стержней составляет пять миллиметров, а толщина стенки всегда 0,38 миллиметра с разной шириной.
Затем постройте бездефектную испытательную конструкцию с почти круговой границей для измерений в запрещенной зоне. Сделайте это, вставив стержни и стенки в основание для желаемой архитектуры конструкции. Это гипероднородная неупорядоченная структура.
После постройки производится квадратная решетчатая конструкция таким же образом. Вот окончательный результат для квадратной решетки. Поставьте эксперимент на настольную установку.
Используйте синтезированный микроволновый генератор для обеспечения излучения в диапазоне от 45 мегагерц до 50 гигагерц с разрешением в один герц. Подключите его к испытательному комплекту S-параметров для измерения параметров передачи для измерения и обработки сигнала от испытательного комплекта S-параметров. Подключите микроволновый векторный анализатор цепей, затем используйте высококачественные полугибкие коаксиальные кабели для подключения портов испытательного комплекта S-параметров к входным и выходным волноводам для обеспечения линейной поляризации Е-поля.
Используйте прямоугольные одномодовые волноводы и адаптеры, подключенные к параметаллическим рупорным антеннам. Антенны находятся по обе стороны от вращающейся сцены, на которой будет размещена конструкция. Далее задайте параметры прибора для эксперимента на панели управления.
Для векторного анализатора цепей выберите диапазон частот для измерения здесь, от семи гигагерц до 15 гигагерц. Затем выберите коэффициент усреднения для контроля шума. Наконец, для измерения с частотой от 7 до 15 ГГц выберите необходимое количество точек данных, чтобы достичь частотного разрешения 10 МГц.
Организуйте компьютер для автоматизации измерений и регистрации данных. Начните измерения на запрещенной зоне с калибровки системы. Во-первых, выровняйте рупоры по вертикали и горизонтали так, чтобы они были обращены друг к другу на расстоянии около 40 сантиметров, что примерно в 15 раз больше средней длины волны для развертки с установкой, как это будет при измерениях, но без образца между рупорами.
Запустите микроволновую развертку, чтобы измерить пропускание через свободное пространство. После того как развертка будет завершена в течение одной-двух минут, сохраните результаты в виде калибровочного набора в векторном анализаторе цепей. Вот типичный график передачи через свободное пространство в зависимости от частоты.
Во-первых, обязательно обнулите масштаб угла наклона сцены. Теперь центрируйте бездефектную конструкцию с почти круглой границей на вращающемся столике между двумя рогами. В этом случае гипероднородная неупорядоченная структура используется для подготовки векторного анализатора цепей к измерению.
Включите сохраненный набор калибровки, чтобы разрешить измерение относительного пропускания через образец. Запустите микроволновую развертку для сбора данных после завершения развертки и сохранения данных. Организуйте так, чтобы излучение падало на конструкцию с другого направления.
Для этого поверните столик на два градуса против часовой стрелки в рамках подготовки к следующему измерению с сохраненными калибровочными данными и выполните еще одно измерение относительного пропускания. После завершения всех измерений от нуля до 180 градусов снимите конструкцию между антеннами. Поверните каждый рупор на 90 градусов, чтобы добиться разной поляризации поля.
Поляризация изменяется с поперечной магнитной на поперечную электрическую. Выполните калибровку и измерения конструкции. Опять же, после измерений на запрещенной зоне, подготовьте конструкцию к измерениям волновода.
Используйте модульную конструкцию для быстрого создания волновода путем удаления элементов. В этом случае преобразуйте бездефектную гипероднородную структуру в структуру с проходящим через нее каналом. Переход на меньшие рупорные антенны для измерения волноводов.
Затем переместите антенны как можно ближе к отверстиям канала. Такое расположение антенн по отношению к каналу обеспечивает хорошую связь, отключение калибровки в векторном анализаторе цепей и запуск СВЧ-развертки. Векторный анализатор цепей покажет и запишет исходное соотношение передачи обнаруженной мощности над мощностью источника.
Когда измерение будет завершено. Поверните оба рога на 90 градусов. Для того, чтобы можно было определить характеристики поляризации, зависимости от структуры, измерьте коэффициент пропускания в этой новой конфигурации.
Это поляризационная передача TE гипероднородной структуры. Под одним углом вертикальная ось находится в децибелах. Горизонтальная ось — это частота.
В гигагерцах падение более чем на два порядка величины между 8,5 и 9,5 гигагерц указывает на область стоп-полосы. Падение частоты примерно на 13 гигагерц связано с производительностью антенны. Это полярные графики пропускания через квадратную решетку и гипероднородную дефектную структуру.
Вдоль радиального направления — частота в единицах скорости света на расстоянии решетки. Угол соответствует углу происшествий. Области с низким пропусканием выделены синим цветом для полос упора квадратной решетки из-за хвастовства, рассеяния появляются вдоль квадратной формы BRI и границ
.Напротив, гипероднородная структура дефекта, формы запорной зоны и изотропная фотонная запрещенная зона. Перед нами гипероднородный неупорядоченный образец с прямым каналом волновода. Ширина канала в два раза больше среднего расстояния между внутренними стержнями.
Это измеренное отношение обнаруженной мощности к мощности источника для волн TM через канал в единицах скорости света на среднем расстоянии между внутренними стержнями. Розовая область — это запрещенная зона TM образца без канала. С введением канала широкополосный канал направляется по образцу.
После освоения проектирование, конструирование и измерение пропускания модульного образца могут быть выполнены за несколько часов, если они будут выполнены должным образом после его разработки. Этот метод проложил путь исследователям к изучению фотонных свойств неупорядоченных материалов и их возможного применения.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучаются фотонные свойства разупорядоченных материалов с фотонной запрещенной зоной с использованием образцов микроволнового масштаба. Посредством создания модульных образцов и применения микроволнового анализа исследование направлено на выявление новых механизмов формирования фотонной запрещенной зоны.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материалы с фотонным запрещенным диапазоном
- Микроволновый анализ характеристик
- Разупорядоченные структуры
Теоретическая база
- Неупорядоченные структуры могут обладать уникальными фотонными свойствами.
- Традиционные методы изучения таких материалов могут требовать значительных ресурсов.
- Микроволновые методы представляют собой экономичную альтернативу для характеризации.
- Функциональные дефекты в материалах могут улучшать их свойства.
Цель исследования
- Изучение свойств запрещенной зоны в разупорядоченных фотонных материалах.
- Разработка метода быстрого изготовления и модификации образцов.
- Анализ влияния структурных модификаций на фотонные характеристики.
Используемые методы
- Изготовление образцов диэлектрических твердых тел с использованием 3D-печатного шаблона.
- Размещение образцов на вращающемся столике для измерения пропускания.
- Характеристика свойств запрещенной зоны в диапазоне частот.
- Модификация структур для создания функциональных дефектов с целью дальнейшего анализа.
Основные результаты
- Определен частотный диапазон и угловая зависимость запрещенной зоны.
- Проанализировано влияние функциональных дефектов в модифицированных структурах.
- Продемонстрирована эффективность микроволнового метода для характеризации.
- Показано, что данный метод позволяет избежать необходимости в дорогостоящих процессах изготовления.
Выводы
- В исследовании представлен новый подход к определению характеристик разупорядоченных фотонных материалов.
- Микроволновые методы обеспечивают практическое решение для изучения сложных структур.
- Функциональные дефекты могут быть эффективно интегрированы в фотонные конструкции.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Этот метод на базе микроволнового излучения позволяет быстро и недорого характеризовать свойства фотонных запрещенных зон в неупорядоченных диэлектрических структурах, предлагая масштабируемую альтернативу нанофабрикации для предварительного скрининга фотонных материалов. Благодаря использованию масштабируемой инвариантности результаты, полученные на микроволновых образцах сантиметрового масштаба, могут быть напрямую применены при проектировании устройств инфракрасного и оптического диапазонов, что ускоряет валидацию целевых параметров в фотонных интегральных схемах и сенсорных приложениях. Данный метод способствует снижению технических рисков, позволяя проводить итерационный инжиниринг дефектов и прототипирование волноводов перед переходом к дорогостоящим литографическим процессам.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет исследовать взаимодействие света и вещества в разупорядоченных средах для проверки гипотез о формировании фотонного запрещенного пояса и изотропии.
- Практическая ценность: использование доступного микроволнового оборудования и образцов сантиметрового масштаба позволяет быстро тестировать структурные варианты без необходимости изготовления в чистых помещениях.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Предоставляет количественные спектры пропускания для определения частот стоп-зоны и угловой зависимости в качестве функциональных фотонных показателей.
- Практическая ценность: Обеспечивает стандартизацию анализа с помощью модульных шаблонов, напечатанных на 3D-принтере, и автоматизации векторного анализатора цепей для получения воспроизводимых результатов измерений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Демонстрирует волноводный перенос через произвольные каналы дефектов, что позволяет проводить трансляционную оценку маршрутизации фотонных сигналов в биосовместимых диэлектрических системах.
- Практическая ценность: Обеспечивает преемственность на доклиническом этапе, позволяя быстро итеративно изменять конструкцию волноводов для прототипов сенсоров или имплантируемых устройств.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум открытий — от ранней валидации мишени до идентификации ведущих соединений, при котором свойства фотонных материалов оцениваются перед доклиническим прототипированием диагностических или терапевтических устройств.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о разупорядоченных диэлектрических структурах для создания полных и изотропных фотонных запрещенных зон с помощью картирования пропускания с разбором по частотам.
- Скрининг: обеспечивает готовность анализа за счет стандартизированного размещения образцов на поворотных столах и измерений с контролируемой поляризацией для количественной оценки запрещенной зоны.
- Аналитика: генерирует данные о коэффициенте пропускания (отношение детектируемой мощности к мощности источника) для сравнения структурных условий и идентификации широкополосных направляющих каналов.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность с доклиническим этапом путем валидации волноводов произвольной формы, которые могут быть сопряжены с фотодетекторами или системами «лаборатория на чипе».
- Корпоративное повторное использование: создает универсальную платформу для скрининга различных разупорядоченных фотонных решеток с использованием одного и того же рабочего процесса микроволновой характеризации.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической уверенности в существовании и изотропии фотонной запрещенной зоны посредством прямого измерения подавления пропускания под разными углами и на различных частотах.
- Практическая ценность: Стандартизация и масштабируемость за счет использования шаблонов, напечатанных на 3D-принтере, рупорных микроволновых антенн и автоматизации с помощью векторного анализатора цепей.
- Стратегическая ценность: Оптимизация принятия решений о целесообразности разработки конструкций фотонных материалов путем быстрой оценки волноводных свойств, обусловленных дефектами, перед изготовлением в оптическом масштабе.
- Влияние на портфель разработок: Приоритизация систем диэлектрических материалов с учетом рисков на основе измеряемой ширины запрещенной зоны и толерантности к дефектам.
Особенности реализации
- Требуются знания в области СВЧ-техники и электромагнитной теории для интерпретации данных о передаче S-параметров.
- Необходим доступ к векторным анализаторам цепей, СВЧ-синтезаторам, рупорным антеннам и прецизионным поворотным столам.
- Для обеспечения воспроизводимости результатов требуется межгрупповая стандартизация геометрии образцов, юстировки поляризации и протоколов калибровки.
- При масштабировании конструкций от микроволнового до оптического диапазона длин волн необходимо учитывать особенности адаптации для сохранения структурной симметрии и точности воспроизведения дефектов.
- Практические ограничения включают дифракционные эффекты на высоких частотах и механическую устойчивость диэлектрических сборок сантиметрового масштаба при вращении.
