The creation and shifts of band gaps in binary superlattices

• Autorzy: Garus J. , Garus S. , Gruszka K. , Błoch K. , Nabiałek M.

Warianty tytułu

PL

Powstawanie i przesunięcia pasm wzbronionych w supersieciach binarnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Multilayers are characterized by the presence of the photonic band gap, so that electromagnetic waves (EMW) at the specific frequencies does not propagate them. Using emulation properties of multilayer systems allows pre-testing of the structure and the design to get the specific characteristics of the electromagnetic wave transmission bands. This reduces the number of samples performed and reduces the cost of examinations. In this study the behaviour of the electromagnetic wave passing through the superlattice ABABAB binary structure composed of lossless materials whose properties do not depend on the frequency of the electromagnetic wave, using the matrix method and the FDTD algorithm. Due to the use multilayers as a filters of visible light the calculation performed for the wavelength range of 300 to 700 nm. In order to examine the behaviour of a monochromatic electromagnetic wave having a wavelength equal to the wavelength of the band gap analysis was performed using the FDTD algorithm, during which were determined by FFT (Fast Fourier Transform) wavelength characteristics. EMW penetrating the superlattice structure, for each boundary layer is partially reflected and partially passes. Another part of the electromagnetic wave reflected inside the structure interfere with each other, which involves a change in the output wavelength and causes the formation of superlattice band gaps. Based on the study, it can be concluded that the matrix method and FDTD very well complement the study of photonic properties of multilayer structures. It has been found that the presence of the photonic band gap depends strongly on the number of superlattice layers. The environment of the multilayer structure does not affect the existence of band gaps, but it strongly influences the interband areas. Increasing the thickness of the superlattice layers shifts in a linear photonic band gaps toward the higher wavelength and the influences of their size. The use of the FDTD method has allowed to illustrate the behaviour of electromagnetic waves in areas of high and low transmission.

PL

Układy wielowarstwowe charakteryzują się występowaniem fotonicznej przerwy wzbronionej, przez co fale elektromagnetyczne (FEM) o pewnych częstotliwościach nie rozchodzą się w nich. Użycie emulacji właściwości układów wielowarstwowych pozwala na wstępne testowanie struktury i taki jej projekt, aby uzyskać konkretną charakterystykę pasm transmisji fali elektromagnetycznej. Pozwala to na ograniczenie liczby wykonywanych próbek i wpływa na zmniejszenie kosztów przeprowadzonych badań. W pracy badano zachowanie się fali elektromagnetycznej przechodzącej przez supersieć o strukturze binarnej ABABAB zbudowaną z materiałów bezstratnych, których własności nie zależą od częstości fali elektromagnetycznej, za pomocą metody macierzowej oraz algorytmu FDTD. Ze względu na zastosowanie sieci wielowarstwowych jako filtrów promieniowania widzialnego obliczenia przeprowadzono dla długości fali z zakresu 300÷700 nm. W celu zbadania zachowania monochromatycznej fali elektromagnetycznej o długości fali równej długości fali pasma wzbronionego przeprowadzono analizę za pomocą algorytmu FDTD, w trakcie której wykonano metodą FFT (Fast Fourier Transform) charakterystyki długości fali. FEM, wnikając w strukturę supersieci, na każdej granicy warstw częściowo się odbija, a częściowo przechodzi. Kolejne odbite części fali elektromagnetycznej wewnątrz struktury interferują ze sobą, co wiąże się ze zmianą długości fali na wyjściu supersieci i powoduje powstawanie pasm wzbronionych. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że metoda macierzowa i FDTD bardzo dobrze się uzupełniają przy badaniu własności fotonicznych struktur wielowarstwowych. Stwierdzono, że występowanie fotonicznej przerwy wzbronionej silnie zależy od liczby warstw supersieci. Otoczenie struktury wielowarstwowej nie wpływa na występowanie pasm wzbronionych, ale silnie oddziałuje na obszary międzypasmowe. Zwiększenie grubości warstw supersieci przesuwa w sposób liniowy fotoniczne przerwy wzbronione w stronę wiekszych długości fali oraz wpływa na ich rozmiar. Wykorzystanie metody FDTD pozwoliło zobrazować zachowanie fali elektromagnetycznej w obszarach o wysokiej i niskiej transmisji.

Słowa kluczowe

EN

transmission; multilayers; FDTD; superlattices

PL

transmisja; wielowarstwy; FDTD; supersieci

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 2
• Strony: 113--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., fig.

Twórcy

autor

Garus J.

• Instytute of Physics, Technical University in Częstochowa

autor

Garus S.

• Instytute of Physics, Technical University in Częstochowa

autor

Gruszka K.

• Instytute of Physics, Technical University in Częstochowa

autor

Błoch K.

• Instytute of Physics, Technical University in Częstochowa

autor

Nabiałek M.

• Instytute of Physics, Technical University in Częstochowa

Bibliografia

• [1] Steurer W., Suter-Widmer D.: Photonic and phononic quasicrystals. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) R229.
• [2] Lugo J. E. et al: Multiband negative refraction in one-dimensional photonic crystals. Optics Express, 17 (2009) 3042.
• [3] Zhang H., Chen X., Li Y., Fu Y., Yuan N.: The Bragg gap vanishing phenomena in one-dimensional photonic crystals. Optics Express, 17 (2009) 7800.
• [4] de Dios-Leyva M., Drake-Perez J. C.: Zero-width band gap associated with the n=0 condition in photonic crystals containing left-handed materials. Phys. Rev. E, 79 (2009) 036608.
• [5] de Dios-Leyva M., Gonzales-Vasquez O. E.: Band structure and associated electromagnetic fields in one-dimensional photonic crystals with left-handed materials. Phys. Rev. B, 77 (2008) 125102.
• [6] Srivastava R., Thapa K.B., Pati S., Ojha S.P.: Negative refraction in 1D photonic crystals. Sol. State Comm., 147 (2008) 157.
• [7] Fang Y.-T, Zhou J., Pun E. Y. B.: High-Q filters based on one-dimensional photonic crystals using epsilon-negative materials. Appl. Phys. B, 86 (2007) 587.
• [8] Ramakrishna S. A., Grzegorczyk T. M.: Physics and Applications of Negative Refractive Index Materials. SPIE Press and CRC Press (2009).
• [9] Hu X., Liu Z., Gong Q.: A multichannel filter in a photonic crystal heterostructure containing single-negative materials. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 9 (2007) 877.
• [10] de Medeiros F. F., Albuquerque E. L., Vasconcelos M. S.: Transmission spectra in photonic band-gap Fibonacci nanostructures. Surface Science, 601 (2007) 4492.
• [11] Fang Y., He S.: Transparent structure consisting of metamaterial layers and matching layers. Phys. Rev. A, 78 (2008) 023813.
• [12] Macia E.: The role of aperiodic order in science and technolog. Rep. Prog. Phys. 69 (2006) 397.
• [13] Bruno-Alfonso A., Reyes-Gomez E., Cavalcanti S.B., Oliveira L.E.: Band edge states of the ۦnۧ = 0 gap of Fibonacci photonic lattices. Phys. Rev. A, 78 (2008) 035801.
• [14] Eds. Krowne C. M., Zhang Y.: Physics of Negative Refraction and Negative Index Materials. Springer (2007).
• [15] Da H. X., Xu C., Li Z. Y.: Omnidirectional reflection from one-dimensional quasi-periodic photonic crystal containing left-handed material. Phys. Lett. A, 345 (2005) 459.
• [16] Li J., Zhao D., Liu Z.: Zero-n image photonic band gap in a quasiperiodic stacking of positive and negative refractive index materials. Phys. Lett. A, 332 (2004) 461.
• [17] Kohomoto M., Sutherland B., Iguchi K.: Localization of optics: Quasiperiodic media. Phys. Rev. Lett., 58 (1987) 2436.
• [18] Klauzer-Kruszyna A., Salejda W., Tyc M. H.: Polarized Light Transmission through Generalized Fibonacci Multilayers. I. Dynamical maps approach. Optik 115 (2004) 257.
• [19] Klauzer-Kruszyna A., Salejda W., Tyc M. H.: Polarized Light Transmission through Generalized Fibonacci Multilayers. II. Numerical Results. Optik 115 (2004) 267÷276.
• [20] Klauzer-Kruszyna A.: Propagacja światła spolaryzowanego w wybranych supersieciach aperiodycznych. Praca doktorska, Wrocław (2005).
• [21] Garus S., Duś-Sitek M., Zyzik E.: Wpływ domieszki żelaza na własności transmisyjne supersieci FexNi(1-x)/Cu. Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej. XII Międzynarodowa Konferencja Naukowa. Cz. 2., Częstochowa (2011).
• [22] Garus S., Garus J., Gruszka K.: Emulacja propagacji fali elektromagnetycznej w supersieciach przy użyciu algorytmu FDTD = Emulation of Electromagnetic Wave Propagation in Superlattices Using FDTD Algorithm. New Technologies and Achievements in Metallurgy and Materials Engineering. A Collective Monograph Edited by Henryk Dyja, Anna Kawałek. Chapter 2., Wydawnictwo WIPMiFS Politechniki Częstochowskiej (2012) 768÷771.
• [23] Yeh P.: Optical Waves in Layered Media. John Wiley & Sons, New York (1988).
• [24] Born M., Wolf E.: Principles of Optics. Pergamon Press, London (1968).
• [25] Sullivan D. M.: Electromagnetic simulation using the FDTD Method. IEEE Press (2000).