Licht opsluiten in een sponsachtig materiaal
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Utrecht hebben een nieuw fotonisch materiaal gemaakt. Het gaat om poreus galliumfosfide. Het lijkt op een wanordelijke spons van luchtporiën. In een fotonisch materiaal kan licht van bepaalde golflengten zich heel slecht voortplanten. Daardoor zou men die materialen kunnen gebruiken om licht te manipuleren, bijvoorbeeld voor het maken van optische schakelingen. Het galliumfosfide kan worden gevuld met een vloeistof, waardoor het licht zich anders voortplant. Zo dient het materiaal ook als modelsysteem om dit gedrag van licht beter te onderzoeken en te begrijpen. De onderzoekers, Frank Schuurmans, in dienst van FOM werkzaam bij de Universiteit van Amsterdam, en Daniël Vanmaekelbergh en Jao van de Lagemaat, beiden verbonden aan de Universiteit Utrecht, publiceren over hun onderzoek in het Amerikaanse weekblad Science van vandaag.
Natuurkundig gezien is de meest karakteristieke eigenschap van fotonische materialen dat hun brekingsindex voor licht verandert op lengteschalen van de golflengte van licht. Voor zichtbaar licht is deze lengteschaal ongeveer een halve micrometer. Eén micrometer is eenduizendste millimeter; atomen zijn nog eens duizend tot tienduizend keer kleiner. Hoe groter de variatie van de brekingsindex, hoe groter de verandering van eigenschappen van het licht in zo'n materiaal. Onderzoek naar dergelijke materialen neemt de laatste jaren sterk toe, zowel vanwege de nieuwe fundamentele aspecten van deze materialen als de mogelijke toepassingen.
Twee groepen materialen
Fotonische materialen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen. De eerste groep bestaat uit geordende, kristallijne structuren die fotonische kristallen genoemd worden. Deze materialen hebben eigenschappen voor licht die analoog zijn aan de eigenschappen van elektronen in halfgeleidermaterialen. Licht van bepaalde golflengten (dus kleuren) kan zich in bepaalde kristalrichtingen niet voortplanten. Dit is een gevolg van interferentie van licht dat veelvuldig verstrooid wordt aan de regelmatige verandering van brekingsindex. De roosterafstanden van deze zogenaamde kristallen zijn van de orde van de golflengte van het licht, dus duizenden keren groter dan bij 'echte' kristallen. Als de zogenaamde fotonische sterkte, dat wil zeggen de sterkte van de wisselwerking tussen het materiaal en het licht, groot genoeg is, dan plant het licht zich in geen enkele richting meer voort. Het materiaal is ondoorzichtig voor licht geworden. Hier is een sterke analogie met het gedrag van elektronen in een halfgeleider. Daar houdt de beweging van elektronen op wanneer een bepaalde energiesprong te groot is, de energie-'bandgap'. Bij fotonische kristallen spreken natuurkundigen in dit geval van een volledige fotonische bandgap.
De tweede groep van fotonische materialen bestaat uit wanordelijke structuren, waarin licht verstrooid wordt zoals het licht van de koplampen van een auto in een mistbank. Het grote verschil tussen de mistbank en verstrooiende materialen is de afstand waarover men nog zicht heeft. Bij een dichte mist is dit ongeveer 50 meter, terwijl in fotonisch interessante materialen dit zicht beperkt is tot minder dan een 1 micrometer (oftewel meer dan 50 miljoen keer slechter zicht). Het zicht is dan zo kort geworden, dat licht zich nauwelijks over één golflengte (ook ongeveer 1 micrometer) kan voortplanten. Voor materialen die zo sterk fotonisch zijn, zal licht dan ook worden gelokaliseerd. Net als in het geval van de volledige fotonische bandgap kan licht zich niet meer voortplanten.
Nieuwe materialen
In de groep van professor Ad Lagendijk aan het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam, waar Schuurmans werkt, doet men onderzoek aan zowel geordende als ongeordende sterk fotonische materialen. Voor dit onderzoek is de bereiding van nieuwe materialen van essentieel belang. De belangrijkste eis voor het maken van een nieuw materiaal is een grote variatie in de brekingsindex, zonder dat dit materiaal licht absorbeert. Absorptie van licht is het einde van interferentie, het mechanisme waardoor licht zich in zowel in geordende als ongeordende structuren niet meer kan voortplanten. Halfgeleidermaterialen hebben een gunstige hoge brekingsindex en absorberen geen licht, zolang het licht een golflengte heeft die langer is dan de golflengte die hoort bij de elektronische 'bandgap'. De eerste keer dat lokalisatie van licht in een wanordelijk medium werd waargenomen bestond het materiaal uit zeer fijn verpoederd galliumarsenide (brekingsindex 3,5); deze waarneming werd gedaan door een groep in Italië waarvan de oud-promovendus van Lagendijk, Diederik Wiersma deel uitmaakte (een publicatie hierover verscheen in 1997 in Nature). Het sterkste fotonische kristal voor zichtbaar licht dat tot dusverre is gerealiseerd is een geordende structuur van luchtbollen in titaandioxide (brekingsindex 2,7), gemaakt door Judith Wijnhoven en Willem Vos uit de groep van Lagendijk (zij publiceerden hierover in Science in 1998). Alhoewel dit materiaal de voortplanting van licht sterk beïnvloedt, heeft het net niet de fel begeerde volledige fotonische bandgap.
In samenwerking met de elektrochemici Daniël Vanmaekelbergh en Jao van de Lagemaat uit de groep van professor John Kelly aan de Universiteit Utrecht, heeft Frank Schuurmans nu een nieuw materiaal gemaakt: poreus galliumfosfide (GaP). Dit materiaal is een wanordelijke spons van luchtporiën in GaP; de poriën hebben afmetingen van zo'n 150 nanometer. Het is gemaakt via een nieuwe elektrochemische etsmethode. GaP heeft een hoge brekingsindex (3,3) en is transparant, ofwel niet-absorberend, voor rood licht. Poreus GaP is dan ook het sterkste fotonisch materiaal voor zichtbaar licht tot nu toe. Het voordeel van een poreus materiaal is dat dit zich, zoals een spons, laat volzuigen met een vloeistof. Deze eigenschap wordt gebruikt om het belang van de grootte van de variatie in de brekingsindex voor de fotonische sterkte aan te tonen. De optische eigenschappen van met vloeistof gevuld poreus GaP zijn anders dan wanneer het materiaal met lucht is gevuld, omdat de variatie in de brekingsindex door de vloeistof wordt verlaagd. Het gevolg is dat het materiaal minder efficiënt licht verstrooit. De invloed van de variatie in de brekingsindex op de fotonische sterkte blijkt veel groter te zijn dan tot nu toe aan de hand van theorieën werd aangenomen. De experimenten geven geen blijk van lokalisatie van licht, maar tonen wel aan dat deze materialen zeer dicht bij lokalisatie zijn. Het zicht in dit soort materialen is minder dan 0,2 micrometer.
Voor meer informatie kan men contact opnemen met drs. Frank Schuurmans, telefoon (02) 525 63 83, email schuurma@phys.uva.nl.
Een plaatje van poreus galliumfosfide (GaP), gemaakt met een scanning elektronenmicroscoop (SEM). In de inzet staat de bijbehorende zogeheten auto-correlaat. Het feit dat daarin alleen maar een symmetrische piek is te zien, betekent dat de structuur van het GaP echt wanordelijk is. De breedte van de piek toont aan de luchtporiën in het materiaal ongeveer 150 nanometer groot zijn. De lichte stukken in het grote plaatje komen overeen met GaP, de donkere gebieden met de luchtporiën. De poreuze structuur is statistisch homogeen en isotroop. De 'maatstok' is 1 micrometer.
Een SEM-plaatje van een doorsnede door een laag poreus GaP. In de rechterbovenhoek is de ongeëtste ondergrond van GaP te zien. In de linkerbenedenhoek is de overgang van lucht naar de poreuze structuur zichtbaar. De poreuze laag is ongeveer 50 micrometer dik. De kleine onregelmatigheden en scheurtjes zijn het gevolg van het breken van het materiaal. De 'maatstok' is 20 micrometer.