TechSemut Malaysia

Apakah kristal fonon (Phononic crystal)?

Apakah kristal fonon (Phononic crystal)?

Apakah kristal fonon (Phononic crystal)?
Januari 26
14:57 2017

maxresdefault

Cahaya dan bunyi adalah 2 benda penting yang boleh digunakan untuk membawa maklumat (information carrier) kepada manusia. Di dalam sejarah, sifat dan ciri-ciri bunyi telah di fahami terlebih dahulu berbanding sifat dan ciri-ciri cahaya kerana perkembangan yang lebih pantas di  dalam mekanik klasik (classical mechanics) berbanding elektrodinamik. Namun, dari segi teknologi baru iaitu kristal fotonik (teknologi cahaya) dan phononik (teknologi bunyi) perkara sebaliknya terjadi. Kristal fotonik telah diasaskan oleh seorang ahli fizik Amerika Syarikat bernama Eli Yablonovich pada tahun 1987 iaitu lebih awal berbanding perkembangan kristal fonon yang bermula pada tahun 1993.

Pada tahun 1987 tersebut, saintis telah mewujudkan bahan buatan di susun secara berkala untuk mengkaji pergerakan cahaya. Susunan bahan buatan tersebut sebenarnya adalah mimik kepada susunan elektron dalam kristal sebenar yang digunakan saintis untuk mengkaji pergerakan cahaya.

Perkataan phononic berasal daripada perkataan “phon” yang bererti bunyi dan pertama kali digunakan oleh J.I Frenkel pada tahun 1923 dalam buku yang bertajuk “Wave mechanics, Elementary Theory“. Konsep kristal fonon mula diketengah sekitar 20 tahun yang lepas (tahun 1993) dalam sebuah jurnal terkenal yang ditulis oleh Kushawa et al. Secara berasingan, Kushawa et al., Sigalas dan Economou secara serentak telah mengira struktur PnBg untuk kes 2D dan kemudian buat kali pertamanya ia diuji secara eksperimen di kawasan terbuka menggunakan batang-batang keluli yang dibina oleh E. sempere di Madrid. Semenjak daripada itulah ia mula diberi perhatian oleh para penyelidik dari seluruh dunia sampai ke hari ini.

00454a33da7

Struktur fononik kristal yang dibina oleh E. Sempre di Madrid

Kajian berkenaan kristal fonon akan melibatkan integrasi di antara topik-topik yang terdapat dalam fizik dan kejuruteraan. Dari aspek fizik, kristal fonon akan menyentuh topik- topik yang berkaitan dengan pergerakan gelombang dalam medium yang tak homogen (inhomogeneous medium) ataupun topik condensed matter physics yang melibatkan mekanik kuantum, statistik mekanik, ataupun elektomagnet.  Manakala dari aspek kejuruteraan pula ia melibatkan kejuruteraan mekanikal, kejuruteraan elektrik, akustik dan ultrasonik. Kristal fonon boleh merangkumi periodic structure (susunan berkala) daripada yang bersaiz meter sehinggalah yang bersaiz nanometer. Susunan berkala yang bersaiz meter sebagai contoh akan melibatkan pergerakan bunyi di dalam zarah-zarah udara dan yang bersaiz nanometer pula melibatkan fonon.

Bidang fononik pada hari ini melibatkan juga integrasi dengan bidang fotonik dalam optik. Baca :  fononik untuk gelombang akustik, fotonik untuk gelombang elektromagnet. Gabungan di antara fononik dan fotonik telah menghasilkan pula optomechanics ataupun phoxonic crystal. Bidang phoxonic adalah sebuah bidang yang sangat baru pada hari ini untuk diterokai dengan lebih mendalam lagi.

Kristal Fonon (Phononic Crystal, PnC) adalah sejenis bahan buatan  yang dapat mengawal pergerakan akustik dan pergerakan elastik di dalam pepejal. Selain PnC, ia juga turut dikenali sebagai Acoustic Metamaterial. Pergerakan akustik dan elastik ini dapat dikawal antaranya dengan membuat susunan lubang-lubang (holes) dan juga tiang-tiang ( pillars) pada medium substrat (disebut juga sebagai matrix).  Susunan tersebut boleh dilakukan melalui 3 cara samada di dalam 1 arah sahaja (1 Dimension) atau bergerak dalam 2 arah (2 dimension) atau dalam 3 arah (3 dimension).

Periodic_

Melalui PnC juga pergerakan elastik tersebut dapat di halang daripada bergerak  ke frekuensi tertentu. Frekuensi di mana pergerakan elastik terhalang dinamakan juga sebagai Phononic Band Gap ataupun singkatannya ditulis sebagai PnBg. Apabila wujudnya BnG di dalam PnC, maka pergerakan gelombang akan dipantulkan justeru membolehkan pergerakannya dihalang dari memasuki ke frekuensi tertentu. PnBg bolehlah dipecahkan kepada 2 bahagian samada Partial BnG (dikenali juga sebagai Pseudoband Gap) dan Complete BnG. Untuk demonstrasi pseudogap, ia pertama kali dibuktikan pada struktur batang keluli yang telah disebut sebelum ini. Menurut kiraan, untuk mewujudkan complete BnG pada struktur keluli tersebut, maka filling fraction, f nya haruslah bersamaan 0.3. Sebaliknya dalam struktur yang di bina oleh E. Sempere, filling fraction, f nya jauh lebih rendah iaitu f = 0.066.

BnG

BnG_2

Struktur kristal fonon yang mempunyai Complete BnG pertama kali dilaporkan pada tahun 1998. Perkara tersebut dapat dilakukan dengan membuat lubang-lubang pada substrat aluminium aloy  menggunakan kekisi persegi (square lattice) dan kekisi segi tiga ( triangular lattice). Lubang-lubang tersebut kemudiannya diisi pula dengan elemen merkuri untuk mewujudkan perbezaan sifat yang besar di antara kedua-dua elemen. Pada awalnya BnG yang dapat dihasilkan berada pada julat frekuensi  1 – 1.12 MhZ kemudian terdapat juga kajian yang berjaya menghasilkan PnBg yang berada pada julat pendengaran manusia iaitu 1.5- 3 kHz.

Kristal fonon boleh dikategorikan kepada 3 jenis, iaitu solid-solid, fluid-fluid dan solid-fluid Phononic Crystal. Bukaan PnBg pada kristal fonon akan bergantung kepada 2 faktor, yang pertama perbezaan besar antara sifat fizikal seperti ketumpatan, yang kedua nilai filling fraction yang mencukupi bagi unit cell. Kajian berkenaan solid-solid phononic crystal telah dikaji secara berasingan oleh Kushawa, Sigalas dan Economou untuk kes PnBg pada 2 dimensi. Kebergantungan bukaan BnG terhadap jenis bahan dan juga sifat fizikal telah dikaji oleh J.O Vasseur (1994) et al., Kushawa et al., (1994). Sebagai contoh bahan Silikon (crystallographic axis, 001) dan epoxy adalah bahan yang baik digunakan bagi membuka bukaan BnG pada PnC. Ini kerana Silikon dan Epoxy mempunyai perbezaan sifat fizikal yang besar dari aspek ketumpatan (density) dan pemalar elastik (elastic constant), bermaksud silikon adalah bahan yang keras dan epoxy bahan yang lembut.

Struktur Berkala Lubang dan Tiang

Sebelum reka bentuk tiang diperkenalkan, reka bentuk lubang telah di gunakan dahulu. Namun, tidak banyak parameter yang boleh diubah dalam struktur lubang di mana ianya terhad kepada saiz radius lubang, dan susunan lubang sahaja ( disebut lattice arrangement). Susunan lubang boleh dilakukan dalam beberapa bentuk samada berbentuk segi empat sama ( square), bersegi tiga (triangular) ataupun dalam bentuk sarang lebah (honeycomb). Di dalam struktur lubang, PnBg yang akan di dapati dinamakan juga sebagai Bragg Scattering. Bragg Scattering akan terbentuk apabila sesuatu struktur disusun secara berkala.

Untuk mengatasi kelemahan yang terdapat pada struktur lubang, maka struktur tiang pula diperkenalkan. Apabila struktur tiang dipakai, secara tidak langsung setiap susunan tiang tersebut akan mempunyai local resonance frequency masing-masing di mana akan menghasikan pula PnBg yang berasaskan local frequency ini. Apabila tiang-tiang ini disusun secara berkala, maka integrasi di antara elemen Bragg Scattering dan local resonance akan berlaku justeru menghasilkan complete PnBg yang lebih baik daripada PnBg berasaskan lubang sahaja.

Struktur berasaskan tiang mempunyai lebih banyak parameter daripada lubang seperti ketinggian  tiang, bahan yang berbeza di gunakan daripada matrix, saiz radius dan juga lattice arrangement seperti yang telah di sebut sebelum ini.

Reference :

Sigalas, M., and E. N. Economou. “Band structure of elastic waves in two dimensional systems.” Solid State Communications 86.3 (1993): 141-143.

Laude, Vincent. Phononic Crystals: Artificial Crystals for Sonic, Acoustic, and Elastic Waves. Vol. 26. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2015.

Vasseur, J. O., et al. “Complete acoustic band gaps in periodic fibre reinforced composite materials: the carbon/epoxy composite and some metallic systems.” Journal of Physics: Condensed Matter 6.42 (1994): 8759.

Deymier, Pierre A., ed. Acoustic metamaterials and phononic crystals. Vol. 173. Springer Science & Business Media, 2013.

Kushwaha, Manvir S., et al. “Acoustic band structure of periodic elastic composites.” Physical Review Letters 71.13 (1993): 2022.

Lu, Ming-Hui, Liang Feng, and Yan-Feng Chen. “Phononic crystals and acoustic metamaterials.” Materials Today 12.12 (2009): 34-42.

Related Articles

0 Comments

No Comments Yet!

There are no comments at the moment, do you want to add one?

Write a comment

Write a Comment

Your email address will not be published.
Required fields are marked *

CAPTCHA

*

Facebook Auto Publish Powered By : XYZScripts.com