Fotonski kristali predstavljaju materijale sa strukturama koje se ponavljaju, omogućavajući jedinstvenu interakciju sa svetlošću. Prirodne varijante ovih kristala mogu se naći u opalima i ljušturama insekata koji poseduju živopisne boje. Iako su transparentni, ovi kristali formiraju „fotonski pojas“ koji blokira određene talasne dužine i pravce svetlosti.
Poseban oblik ovog efekta je „potpuni fotonski pojas“, koji sprečava prolazak svetlosti iz svih pravaca. Ova karakteristika omogućava preciznu upravljanje svetlošću, otvarajući nove perspektive u oblastima telekomunikacija, senzora i kvantnih tehnologija. Zbog toga su naučnici istraživali različite tehnike za proizvodnju ovih naprednih fotonskih kristala.
Iako su 1D i 2D fotonski kristali korišćeni u različitim aplikacijama, proizvodnja 3D fotonskih kristala sa potpunim fotonskim pojasom u vidljivom spektru predstavljala je izazov zbog potrebe za preciznom kontrolom na nano nivou u svim dimenzijama tokom procesa izrade.
Tim istraživača iz Singapura i Kine, predvođen profesorom Joelom Jangom sa Singapurskog univerziteta za tehnologiju i dizajn (SUTD), postigao je značajan uspeh u stvaranju 3D fotonskih kristala. Koristeći modifikovanu titanijumsku smolu, razvili su revolucionarnu metodu štampanja ovih kristala.
Nova metoda rezultirala je visokorezolventnim kristalima, velikim indeksom prelamanja i potpunim fotonskim pojasom u vidljivom spektru. Ova inovacija ima veliki potencijal za transformaciju industrije.
Dr. Džang Vang, naučni saradnik SUTD-a i prvi autor studije, objašnjava da su decenijama istraživači pokušavali da proizvedu fotonske kristale koji blokiraju svetlost u vidljivom spektru. Ovi kristali imaju potencijalnu primenu u preciznoj 3D kontroli svetlosti, ponašanju jednofotonskih emitera i kvantnoj obradi informacija.
Tim SUTD-a koristio je dvofotonsku polimerizacionu litografiju (TPL) za štampanje kristala. Komercijalno dostupne smole koje se koriste u TPL štampi su organskog porekla i imaju nizak indeks prelamanja. Međutim, titanijum dioksid, koji ima visoki indeks prelamanja, korišćen je kao neorganski materijal za ovaj proces.
Proces proizvodnje uključivao je razvoj posebno prilagođene smole od titanijuma, štampanje kristala standardnom TPL tehnikom, zagrevanje za uklanjanje organskih komponenti i oksidaciju titanijumovih jona unutar kristala radi transformacije u titanijum dioksid.
Nakon uspešne proizvodnje fotonskih kristala visoke rezolucije, tim je primetio potpuni fotonski pojas u vidljivom spektru unutar ovih 3D struktura. Ovo otkriće otvara mnoge mogućnosti za primenu, kao što su generisanje boja i talasni vodiči. TPL tehnika omogućava modifikaciju kristala za specifične svrhe, uključujući uvođenje namernih defekata unutar struktura.
Očekuje se da će uspeh ove tehnike 3D štampanja, uz korišćenje titanijumske smole za postizanje potpunog fotonskog pojasa u vidljivom spektru, predstavljati značajan napredak u oblasti fotonike. Dr. Džang predviđa da će se ova platforma moći koristiti za proizvodnju različitih materijala na nano nivou, poput stakla, keramike i metala.
Ova saradnja između istraživača iz Singapura i Kine pomerila je granice u oblasti nauke o materijalima i procesa nanofabrikacije, reflektujući misiju SUTD-a da integriše različite discipline u cilju pozitivnog uticaja na društvo.
