Fotonika je vědní obor zabývající se vznikem a využíváním světla, respektive světelné energie. Patří do ní celá škála aplikací, jako například světelné zdroje typu laser nebo LED, předávání a zpracování informací „opticky“ v digitálních přenosech včetně internetu pomocí optických vláken, detekce nebezpečných látek pomocí optických senzorů, laserové operace očí, termovize, laserové svařování a řezání kovů, holografie a stále větší množství aplikací z mikro- a nano-fotoniky. Žádná z těchto aplikací by ale nebyla možná, kdyby neexistovaly materiály umožňující vytváření a „ovlivňování“ světla. A právě jedním typem těchto materiálů jsou krystaly. Ovšem ne všechny, nebo alespoň ne v jejich původním „stavu“. Studiem ovlivňování struktury krystalů pro vytváření opticky aktivních krystalů se zabývá skupina materiálů pro fotoniku na ústavu anorganické chemie, VŠCHT Praha.
Krystalické materiály byly od pradávna považovány za něco cenného a unikátního, především poté, co se lidé naučili krystaly brousit a dělat z nich krásné ozdobné předměty a šperky. Byly známy i typy luminiscenčních – světlo vyzařujících – krystalických materiálů, které dokázali lidé těžit. Nevěděli ale, jak připravit materiály nové, které by měly podobné, nebo dokonce jiné, vlastnosti. Co tedy je luminiscence? Luminiscence z definice není záření způsobené tepelným zářením – jako například rozžhavené wolframové vlákno klasické žárovky – ale jev, kdy objekt vyzařuje světelné záření přechodem mezi energetickými hladinami elektronů ve struktuře materiálu nebo látky po předchozím dodání energie. Energii můžeme dodat luminiscenčnímu objektu různým způsobem – elektricky nebo výbojem (jako např. zářivky nebo LED světla), chemicky (jako např. světlušky), světlem (jako např. lasery), radiací neboli ionizačním zářením (jako např. tritiové luminiscenční prvky u hodinek), tepelně (jako např. termoluminiscenční krystal fluoritu) a dalšími způsoby.
Trvalo velmi dlouho, než lidé objevili způsob, jak cíleně upravovat strukturu krystalických materiálů tak, aby „svítily“ ve specifickém světelném spektru pro jejich využití ve fotonice například pro lasery. Až v průběhu minulého století se podařilo vyrábět specificky „obohacené“ nebo „dotované“ materiály – krystaly, polovodiče, skla, atd. – které vykazovaly luminiscenci v různých spektrálních oblastech – například v ultrafialovém, viditelném i infračerveném světelném spektru. Dotováním nebo obohacením krystalu se myslí proces, kdy se pomocí různých metod do struktury čistého krystalu přidává příměs, která ve výsledku způsobuje požadované vlastnosti – například luminiscenci. Příměsi ve struktuře krystalu totiž způsobují vytvoření nových – a i změny stávajících – elektronových energetických hladin v krystalu, a tudíž mohou být povoleny takzvané zářivé energetické přechody, neboli luminiscence.
Zvídavý čtenář by v tomto bodě možná namítl, proč se k výrobě takto obohacených opticky aktivních materiálů nevyužívají jen skelné materiály, které jsou podstatně levnější na výrobu. A samozřejmě by měl z části pravdu, jelikož převážná většina opticky aktivních fotonických součástek se samozřejmě vyrábí ze skelných materiálů z již řečeného ekonomického důvodu. V optických telekomunikacích jsou hlavním důvodem optická vlákna sloužící pro přenos informací, která se vyrábí ze skelných materiálů. Skelná optická vlákna se lépe navazují a navařují na součástky ze skelných materiálů než krystalických. Jaké jsou tedy výhody (a nevýhody) krystalických materiálů oproti klasickým skelným materiálům? Pro vysvětlení si musíme nejdříve říci, co to krystalický materiál je a jak se liší od amorfního (například skelného) materiálu. Z definice mají krystalické materiály uspořádání atomů (nebo jiných částic, jako například iontů, molekul, klastrů, atd.) na „dlouhou vzdálenost“, čímž se zpravidla myslí více než 10-100 nanometrů – to odpovídá zhruba 100-1000 atomům v řadě. Skelné materiály mají naproti tomu amorfní strukturu, která má relativně náhodné uspořádání, respektive není uspořádána na „dlouhou vzdálenost“. Jelikož mají krystalické materiály uspořádanou strukturu, vykazují řadu „speciálních“ vlastností – jako například jevy: feroelektrický, piezoelektrický, akustooptický, elektrooptický, opticky nelineární, atd. – které skelné materiály nemají. Tyto vlastnosti jsou u krystalů primárně umožněny uspořádaností jejich elektronové struktury a spinů elektronů. Proto mají tyto obohacené krystaly hlavní výhodu oproti obohaceným sklům, že se jimi dá světlo nejen generovat, ale také ovlivňovat – měnit jeho směr, vlnovou délku, absorpci a mnoho další vlastností dané kvantovou povahou světla. Hlavní výhodou skel oproti krystalům by byla naopak jejich nižší cena výroby a velká variabilita složení skla, které můžeme připravit (u krystalů je potřeba zachovat určité přesné složení a podmínky přípravy, aby se vytvořilo uspořádání na dlouhou vzdálenost).
V naší skupině materiálů pro fotoniku se zabýváme přípravou a analýzou vlastností řady skelných a krystalických materiálů dotovanými ionty vzácných zemin (nebo také lanthanoidy) – jako např. erbium, ytterbium, thulium, holmium, neodym, europium, atd. – a také ionty přechodných kovů – jako např. stříbro, měď, chrom, železo, nikl, atd. Z krystalických materiálů se zabýváme nejvíce niobičnanem lithným (LiNbO3), safírem (Al2O3) a oxidem zinečnatým (ZnO). Podařilo se nám úspěšně připravit erbiem obohacený niobičnan lithný pro použití v telekomunikacích jako laditelný optický zesilovač díky celé řadě speciálních optických vlastností LiNbO3. Všechny uvedené krystaly se nám podařilo obohatit různými metodami lokalizovaného obohacování – např. iontová implantace, dotace z taveniny anorganických solí, vysokoteplotní difúze z napařené vrstvy kovu nebo oxidu, pulzní laserová depozice, atd. – což nachází uplatnění jako přesné fotonické prvky. Mimo obohacování materiálů různými ionty se také zabýváme vytvářením optických vlnovodů v jejich povrchové vrstvě. Díky tomu je možné tyto materiály využívat k vedení světla pro použití v optických telekomunikacích. Na této problematice spolupracujeme s několika českými fotonickými firmami a vědeckými institucemi. V současné době se zabýváme strukturou monokrystalického a nanokrystalického diamantu, který se jeví jako materiál s atraktivními vlastnostmi pro použití ve fotonice – hlavní jsou jeho odolnost a vysoký index lomu světla (každý asi zná, jak blýskají vybroušené diamanty neboli brilianty). Nedávno se nám podařilo obohatit strukturu diamantu ionty erbia, u kterého byla naměřena luminiscence v blízké infračervené oblasti používané pro telekomunikace. Obohacený krystalický diamant může najít uplatnění v laserových aplikacích s vysokým výkonem i u velmi kompaktních vlnovodů díky vysokému indexu lomu diamantu.
Kromě experimentální práce s krystaly a skly se v naší skupině také intenzivně zabýváme teoretickými výpočty a simulacemi obohacených krystalických materiálů. Dokážeme teoreticky vypočítat, jak bude ovlivněna struktura a elektronové hladiny v krystalu změnou pozice dotovaného iontu ve struktuře. To má totiž hlavní vliv na výsledné spektrum světelného vyzařování obohaceného krystalu. Simulaci následně porovnáváme s experimentem.
Již v současné době je vidět, že obor fotoniky – čili vytváření a vedení světla – hraje klíčovou roli jak v digitálním přenosu informací (hlavně internet, TV, ...), tak i v průmyslu, medicíně a dalších oborech. Dnes se pomocí velmi přesných svazků světelného záření neboli laserů obrábí materiály, sváří, ale i provádí přesné chirurgické zákroky. V blízké budoucnosti bude fotonika – a tedy i opticky aktivní krystalické a skelné materiály – čím dál více ovlivňovat naše životy a pomáhat nám.
Autor je doktorandem na Ústavu anorganické chemie VŠCHT Praha
