[論文レビュー] Colloidal Laves phases as precursors of photonic crystals

Guido Avvisati, Marjolein Dijkstra|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Photonic Crystals and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、可塑的Laves相、特に硬い球とテトラマーの二成分混合系におけるMgCu2相を、可視光帯域に光子バンドギャップを有するフォトニクス結晶の前駆体として用いることを提案する。数値的相図計算を通じて、液体-Laves相の共存領域が広く存在することが特定され、実験的に達成可能なフォトニクス構造の自己集合経路が実現可能であると示唆される。

ABSTRACT

A considerable amount of research in the colloidal science community deals with the design and fabrication of crystalline phases to be employed as photonic crystals. Here, we propose a novel route to the fabrication of colloidal Laves phases, which can be used as precursors of photonic bandgap structures. We numerically calculate the phase diagram of a binary mixture of hard spheres and hard tetramers, and focus on the stability of the MgCu2 Laves phase. Our findings show a relatively large coexistence region between the fluid and the Laves phase which is potentially accessible by experiments, uncovering a new self-assembly path towards a photonic structure with a band gap in the visible region.

研究の動機と目的

• 可塑的Laves相を前駆体として用いる新しいフォトニクス結晶の自己集合経路の探求。
• フォトニクス応用のための硬い球とテトラマーの二成分混合系における安定なLaves相の同定。
• MgCu2 Laves相が液体相と共存する実験的に達成可能な領域を段階図で特定すること。
• 本新規ルートを通じて、可視光帯域にわたる光子バンドギャップ構造を形成する可能性の評価。

提案手法

• 統計力学モデルを用いた硬い球と硬いテトラマーの二成分混合系の相図の数値的計算。
• MgCu2 Laves相の他の相に対する安定性を評価するための自由エネルギー計算の適用。
• 液体相とLaves相の間の相平衡および共存領域を探索するためのモンテカルロシミュレーションの使用。
• MgCu2 Laves相の形成を促進する構造的および熱力学的条件の分析。
• Laves相が安定で、かつ液体相と共存する組成および密度範囲の同定。
• 予測された結晶構造および格子定数に基づく光子バンドギャップの可能性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 硬い球とテトラマーの二成分コロイド系において、MgCu2 Laves相が安定化可能か。
• RQ2 この系における液体相とLaves相の共存領域の広がりはどの程度か。
• RQ3 現実的な条件下でLaves相の形成経路は実験的に達成可能か。
• RQ4 Laves相構造は可視光帯域に光子バンドギャップを支持するか。
• RQ5 この自己集合メカニズムは、フォトニクス結晶を製造する実用的ルートとして成立するか。

主な発見

• 硬い球とテトラマーの二成分混合系において、液体相とMgCu2 Laves相の間には広い共存領域が存在する。
• Laves相は、組成および密度の範囲にわたり熱力学的に安定であり、実験的実現可能性が示唆される。
• 共存領域は、コロイド実験で達成可能な条件下に存在する。
• 予測されたLaves相構造は、可視光スペクトルにわたる光子バンドギャップを形成するのに適した周期的配列を示している。
• 本系は、可視光帯域にバンドギャップを有するフォトニクス結晶への新規な自己集合経路を提供する。