1.4.1. Tinh thể quang tử
Tương tự như vật liệu biến hóa, tinh thể quang tử (photonic crystal – PhC) có cấu trúc tuần hòa của chất điện môi và có khả năng hình thành vùng cấm quang
điều khiển ánh sáng. Tinh thể quang tử được nghiên cứu dựa trên ý tưởng về việc điều khiển photon như chất bán dẫn điều khiển điện tử [46].
Tinh thể quang tử được công bố lần đầu tiên vào năm 1987 do Eli Yablonovitch [47] và Sajeev John [48]. Từ đó cho tới nay, các nghiên cứu về tinh thể quang tử vẫn được giới khoa học trên thế giới rất quan tâm, bởi tinh thể quang tử có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế. Tinh thể quang tử là một chất cách quang hoàn hảo, giam giữ ánh sáng mà không bị mất mát. Sử dụng tinh thể quang tử có thể tạo ra các mạch quang học rất nhỏ đáp ứng được nhu cầu của thông tin quang hiện nay và trong tương lai.
Các nhà khoa học đã phát hiện trên bề mặt của cánh bướm hay lông chim có cấu trúc lỗ xốp tuần hoàn như là tinh thể quang tử trong tự nhiên. Hình 1.11 là ảnh hiển vi điện tử quét của cấu trúc lỗ xốp 2D trên cánh bướm và lông chim. Các cấu trúc lỗ xốp này phản xạ và nhiễu xạ ánh sáng tạo ra màu sắc khi quan sát. Tùy theo kích thước của lỗ xốp mà ta có thể thu được các màu sác khác nhau.
Dựa vào cấu trúc hình học, tinh thể quang tử có thể được chia thành 3 loại là cấu trúc một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D). Hình 1.12(a)-(c) lần lượt trình bày mô hình của các cấu trúc tuần hoàn 1D, 2D và 3D khi hằng số điện môi thay đổi theo 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều không gian. Các cấu trúc tuần hoàn của màng đa lớp, sợi quang học và cấu trúc đống gỗ tương ứng với tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D được trình bày trên Hình 1.12(d)-(f).
Hình 1. 12. (a)-(c) Mô hình cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. (d)-(f) Các ví dụ tinh thể quang tử màng nhiều lớp (1D), sợi quang học (2D) và cấu trúc
thanh gỗ xếp chồng (3D) [49-51].