Funktionale dreidimensionale Photonische Kristalle aus ...

1. Einleitung 14
Die Realisierung einer vollständigen photonischen Bandlücke ist mit künstlichen Opalen nicht
möglich. Theoretische Rechnungen zeigen, dass selbst bei hohen Brechungsindexkontrasten
noch Bänderüberlagerungen auftreten. Eine Diamantgitterstruktur, die aus zwei ineinander
geschobenen, kubisch dichtesten Kugelpackungen besteht, würde ab einem Brechungsindex-
kontrast von 2,0 eine vollständige Bandlücke ausbilden [8] . Da diese Struktur nicht durch
Selbstorganisation, sondern nur mit hohem Aufwand zugänglich ist [66] , sind in der Vergan-
genheit andere Wege gesucht worden, vollständige photonische Bandlücken aus Kugelpa-
ckungen zu realisieren.
Ein Weg, eine vollständige photonische Bandlücke aus künstlichen Opalen zu generieren, ist
die Invertierung. Unter Invertierung ist ein Prozess zu verstehen, der die räumliche Anord-
nung der hoch- und niedrigbrechenden Materialien im Opal vertauscht. Der Kolloidkristall
wird dafür mit einem hochbrechenden Material gefüllt, und die Kugeln werden anschließend
entfernt. Dieser Prozess kann mit unterschiedlichsten Materialien mit mehreren Methoden
durchgeführt werden [67,68] . So kann das hochbrechende Material durch CVD-Prozesse (CVD,
engl.: chemical vapor deposition) [69-71] , Sol-Gel-Verfahren [72-76] , Polymerisationen [77,78] oder
andere Verfahren [79-83] eingefüllt werden. Die Entfernung der Kugeln richtet sich nach dem
Kugelmaterial. Siliziumdioxid kann leicht mit Flusssäure gelöst werden. Polymere können
entweder durch Kalzinieren ausgebrannt oder in einem organischen Lösungsmittel aus dem
gefüllten Kristall gelöst werden. Die invertierte Opalstruktur wird auch Replika genannt. Für
Replikas mit einem Brechungsindexkontrast von 2,8 ist eine vollständige photonische Band-
lücke für höhere Ordnungen durch Simulationen vorausgesagt [9] . In Abbildung 1.12. sind ei-
nige Beispiele von Replikas abgebildet, die aus künstlichen Opalen hergestellt wurden.
a b c
Abbildung 1.12.: Elektronenmikroskopaufnahmen von Replikas aus künstlichen Opalen
a: Titandioxid-Replika aus einem Polymer-Opal (Arbeitskreis Zentel)
b: Zinndisulfid-Replika aus einem Polymer-Opal [50] (Arbeitskreis Zentel)
c: Silizium-Replika aus einem Siliziumdioxid-Opal [70]