（凝聚态物理专业论文）可见光区域三维sio2光子晶体的制备研究.pdf

兰州大学硕士论文摘要 摘要 光子晶体是一种人造的在光学波长( 亚微米) 尺度上折射率周期性变化的材 料，根据折射率变化的空f q n 期性可以分为一维、二维、三维光子晶体。结构的 特殊性，导致了光子晶体具有诸如光子能隙、超色散、受抑制的自发辐射等等新 奇的物理性质。自光子晶体概念被提出以来，已引起了包括理论物理、光学、集 成光学等各方面越来越多的注意。 本论文围绕单分散纳米s i 0 2 小球和蛋白石结构光子晶体的制作及其性能表 征，开展了一系列研究工作，取得的主要成果有： 1 采用改进的s t 6 b e r 法制备出单分散的s i 0 2 颗粒，通过改变氨水的体 积百分比来控制颗粒直径。利用t e m 和x r d 分析了颗粒的大小和结 构。 2 创新性的丙酮作为分散剂，将垂直沉积法的生长周期从几周缩短为几 天。利用紫外可见分光光度计测量了光子晶体的光学带隙，扫描电子 显微镜观察了光子晶体的表面形貌以及内部结构，发现s i 0 2 小球以 ( 1 1 1 ) 密排面层层堆积为面心立方c ) 的光子晶体。紫外一可见光透射 反射谱测量发现在5 3 4n i n 处出现一个很强的透射谷反射峰，表明该 光子晶体在5 3 4 n m 的可见光范围内存在一个较宽的光学带隙( p b g ) 。 并研究了退火处理对光子带隙的影响。 3 尝试了利用溶液热解法制备出z n o 包覆的s i 0 2 复合光子晶体，在 2 2 2 n m 的s i 0 2 小球周围包覆1 3 r i m 厚度的z n o 层，带隙从4 8 2 n m 移 动到5 4 2 n m 。 关键词：光子晶体，光学带隙，垂直沉积技术，s i 0 2 小球 兰、i 1 大学硕士论文摘要 a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c ) i san e wk i n do fs y n t h e s i z e dm a t e r i a l ，w h i c hc o u l dc h a n g e i t sr e f l e c t a n c ena tt h es c a l eo fv i s i b l el i g h t ( s u b m i c r o m e t e r ) a c c o r d i n gt oi t ss p a t i a l p e r i o d i c i t y , p cc a l lb es o r t e di n t o1 - dp c ，2 - dp ca n d 3 - dp c b e c a u s eo fi t ss p e c i a l s t r u c t u r e ，p ch a ss o m en o v e lp h y s i c a lc h a r a c t e r s ，s u c h a s p h o t o n i cb a n dg a p ， a d v a n c e dp h e n o m e n a i ta l s oc o u l dp r o h i b i tt h es p o n t a n e o u se m i s s i o n p ch a s a t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t sf r o mt h er e g i o no ft h e o r e t i c a lp h y s i c s ，o p t i c a la n dm a t e r i a l s c i e n c es i n c ei tw a sf i r s td e f i n e d i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h ef a b r i c a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h es p h e r i c a l p a r t i c l e so fm o n o d i s p e r s e ds i 0 2 ，a n dt h eo p a l s t r u c t u r a lp c m a i nr e s u l t sa r e f o l l o w e d ： 1 w ef a b r i c a t e dt h es p h e r i c a lp a r t i c l e so fm o n o d i s p e r s e ds i 0 2b yi m p r o v e d s t 6 b e r sm e t h o d w es u c c e e d e di n c o n t r o l l i n gt h ed i a m e t e rb yc h a n g i n g t h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a w ea l s oa n a l y z e dt h ed i a m e t e ra r i dt h es t r u c t u r eb yt e m a n d x r d 2 a c e t o n ew a sf i r s tt i m eu s e da st h ed i s p e r s a n t w h i c hd r a m a t i c a l l ys h o r t e n e dt h e c y c l eo ft h ev e r t i c a ld e p o s i t i o nm e t h o d t h ep h o t o n i cb a n dg a po fp cw a sm e a s u r e d b yu vs p e c t r o s c o p y ；a n dt h es u r f a c ea n di n t e m a ls t r u c t u r ew e r ec h a r a c t e r i z e db y s e m ；t h e ya l ls h o w e dt h a tt h ep cw e r ep a c k e da sf a c ec e n t r a lc u b i ci nt h ew a y o f ( 111 ) f a c e t t h et r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t a n c es p e c t r u mo ft h es a m p l es h o w e dac l e a r t r a n s m i s s i o nv a l l e y r e f l e c t a n c ep e a ka t5 3 4n l n ，i n d i c a t i n gt h a tt h ep ch a dal a r g e p h o t o n i cb a n dg a pi n t h er a n g eo fv i s i b l ew a v e l e n g t h i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to f a n n e a l i n gp r o c e d u r eo nb a n dg a po f p cw a ss t u d i e d t o o 3 w ef a b r i c a t e dt h ec o m p o u n dp co fs i 0 2c o v e r e db yz n ob yt h el i q u o r p y r o g e n a t i o n m e t h o d a b o u t2 2 2 一r t m - d i a m e t e rs i l i c as p h e r ew a sc o v e r e db y 13 一m t h i c k n e s sz n o w h i c hl e a d i n gt h ep h o t o n i cb a n dg a pw a sc h a n g e df r o m4 8 2 n m t o5 4 2 n m k e y w o r d s ：p h o t o h i cc r y s t a l s ，p h o t o n i cb a n dg a p ，v e r t i c a ld e p o s i t i o nm e t h o d ，s i l i c a s p h e r e 兰卅l 大学顶士论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：固丝】蠡 日期： 油f 6 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：j i 整! 耘导师签名凭! 叁三日期：出 k空间_+ 图1 3 光子晶体的能带结构( 左) 和态密度( 右) 一维光子晶体是指在一个方向上具有光子频率禁带的材料，它由两种或两种 以上的介质层叠而成。图1 2 ( a ) 示意了一种简单的一维光子晶体结构，它是由 两种介质交替叠层而成的，其中的黑色部分为一种介质，黑色与黑色之间的空问 兰卅l 大学硕士论文第一章光予晶体简介 为另一种介质所填充。这种结构在垂直于介质片的方向上介电常数是空间位置的 周期性函数，而在平行于介质片平面的方向上介电常数不随空间位置变化。这 样的光子晶体在光纤和半导体激光器中已得到了应用，所谓的布拉格光纤和半导 体激光器的分布反馈式谐振腔实际上就是一维光子晶体。 二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是 由许多介质杆排列而成。图1 2 ( b ) 给出了一种典型的二维光子晶体结构示意， 它是由许多介质杆平行而均匀地排列而成的。这种结构在垂直于介质柱的方向上 介电常数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质柱的方向上介电常数不随空 间位置变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的截面存在许多种结构，如矩形、 型 翻 怕 m 果 频率 频率 ( a ) 在自由空间；( b ) 在光子晶体中自发辐射被抑制 ( c ) 在有缺陷的光子晶体中自发辐射被增强 图1 4 光子禁带对原子自发辐射的影响 8 兰州大学硕士论文 第一章光子晶体简介 三角形、六边形结构等等。横截面的形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一 样，矩形结构的光子频率禁带范围较窄，三角形和六边形结构的光子频率禁带范 围较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径不同的 两种介质圆柱杆来构造二维光子晶体。 三维光子晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，如图 l ，2 ( c ) 所示。在三维光子晶体中，有可能出现全方位的光子带隙，即落在带隙 中的光在任何方向都被禁止传播。这一特性具有极其广阔的应用前景 9 1 。 1 5 光子晶体的主要性质 光子晶体的基本特征是具有光子禁带，因为带隙中没有任何态存在，频率落 在禁带中的电磁波是禁止传播的。由于光子禁带的存在，光子晶体可以抑制自发 辐射。我们知道，自发辐射的概率与光子所在频率的态密度成正比。当原子被放 在一个光子晶体中，其自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率的 光子的态密度为零，自发辐射将被抑制。反过来，光子晶体也可增强自发辐射， 只要增加该频率光子的态密度便可实现。如在光子晶体中掺入杂质，光子禁带中 会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，便可实现自发辐射的增强。 2 0 世纪8 0 年代以前，人们一直认为自发辐射是一个随机的自然现象，是不能 控制的。虽然珀塞尔( p u r c e l l ) 在1 9 4 6 年曾提出自发辐射可以人为改变【l ，但没有 受到任何重视。直到光子晶体的出现才彻底改变了人们的看法。我们知道，自发 辐射的几率与光子态的数目成正比，而光子禁带中光子态的数目为零，因此，频 率落在光子禁带中的电磁波的自发辐射被完全抑制( 如图1 4 所示) 。 光子晶体的另一个重要特征是光子局域。约翰在1 9 8 7 年提出在一种精心设 计的介电材料超晶格( 相当于现在所称的光子晶体) 中，光子呈现出很强的安德 逊局域【2 1 1 1 。3 1 ，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，则在其禁带中会出现 频率极窄的缺陷态，和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦其 偏离缺陷光就将迅速衰减。这就为我们提供了一种控制或“俘获”光的方法。光 子晶体中的缺陷有点缺陷和线缺陷( 如图1 5 所示) 。在垂直于线缺陷的平面上， 光被局域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。这种局域比波导或利用全反射 原理制成的光纤更加彻底。点缺陷仿佛是光被全反射墙完全包裹起来，利用点缺 兰卅大学硕士论文第一章光子晶体简介 陷可以将光“俘获”在某一个特定的位置，光就无法从任何一个方向向外传播， 这相当于微腔。1 9 9 1 年实验上观察n - - 维光子晶体中的光予局域 ”】。1 9 9 7 年在 半导体粉末中直接得到光子局域的证据【l s 。 图l - 5 光子晶体的缺陷 1 6 光子晶体的主要应用 光子晶体具有非常广泛的应用前景，可以用来制作全新原理或以前所不能制 作的高性能器件。 1 高性能反射镜 由于频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择 没有任何吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率 几乎为1 0 0 ，这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频 率范围内可以反射光，但在红外和可见光波段有较大的吸收。 光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线【l “。普通的平面 天线由于衬底的透射等原因，发射向空间的能量有很多损失，如果用光子晶体做 衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部发射向空间。人们一直认为 一维光子晶体不能作为全方位反射镜，因为随着入射光偏离正入射，总有光会透 射出来，但麻省理工学院研究人员的理论和实验表明，选择适当的介电材料，即 使是一维光子晶体也可以作为全方位反射镜【l ”。 兰州大学硕士论文第一章光于晶体简介 2 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器 利用光子晶体的光子频率禁带特性可阱实现对光子的极优良的滤波功能。 这是由于光子晶体的滤波带宽可以做得比较大。金刚石结构的光子晶体的滤波带 宽可以做到中心频率2 0 。而由s 哥普塔等人所提出的金属介质复合型光子晶体 可以将低频( 频率接近0 h z ) 到红外波段的电磁波完全滤掉1 8 】。这种大范围的滤 波作用利用传统的滤波器是难以实现的。 研究还发现，当光子晶体中的某些单元被取掉而造成缺陷时，就会使光子晶 体的光子频率禁带出现一些“可穿透窗口”，即光子频率禁带内的某些频率会毫 无损失地穿过光子晶体。利用这一特性可以制作高品质的极窄带选频滤波器【1 9 】。 3 光子晶体波导 光波导是光电集成回路中光子器件间的“导线”。传统的介电波导可以支持直线 传播的光，但在拐角处会损失能量。理论计算表明，光子晶体波导不仅对直线路 径而且对转角都有很高的效率2 0 2 2 】，如图1 6 所示。最近的实验证实了该理论预 言【2 3 1 。 如果在光子晶体中引入缺陷，频率落在缺陷态中的光波将呈现很强的局域 态，其传播方向是受到严格控制的。如果我们引入的是一个线缺陷，这种缺陷态 就可以作为一种电磁波波导。因此，我们可以通过光子晶体的组合设计制造出多 种符合要求的光波。如图1 6 ( b ) 所示，从一块排布完好的二维光子晶体中， 穆睁0 臻0 o 母。霉昏 辔0o 辔。 母oq 毋曝 i 。奋0 拳0 蚤尊口o0 瀵簿 譬季。每o 00 麝。 惑0ooo 氆馥碡旗每0 辔尊臻睾 喀o 葫骨嘹0o0 婚oo 番0a o 舟o0 盏卓o = a 。鑫- o 盎，0 盘r 嘲 酶o 奇霉嗡霸奄旃旃夺昏舔g 辱臻 ( a ) 直线光子晶体波导 o00o o0o0oo oo ，000 o00o o0o00o 0 o o0o o o0o0o 口00o q0 静o ( b ) 有9 0 0 拐角的光子晶体波导 图1 6 光子晶体波导 兰州大学硕士论文第一章光子晶体简介 图1 7 氧化硅棒和氧化硅毛细管在2 0 0 0 。c 下烧结形成光子晶体光纤 移去一些介质棒或将一排空腔充以原介质都可以制成个具有线缺陷的光子晶 体。由于它并不依赖全反射，所以在转角处可以有效地减少能量损失。在转角为 9 0 度的情况下，这种波导也仅有2 的损失，而在相同条件下，传统波导的能量 损失高达3 0 【2 4 i 。我们可在光纤的曲率半径较小处以光子晶体波导取代光纤，这 样既可有效减小损失，又易于实现。 传统的光纤中，光在氧化硅芯的中心传播。通常，为了提高其折射系数采取 掺杂的办法以增加传输效率，但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。英国 b a m 大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤【2 5 】：由几百个传统的氧化 硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2 0 0 0 0 c 下烧结而形成。 直径约4 0 微米，蜂窝结构的亚微米空气孔就形成了。为了导光，在光纤中引入额 外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道，如图1 7 所示。与传统的光纤完全 不同，光是在空气孔中而非氧化硅中传播，可导波的范围很大。 光子晶体还有许多其他方面的应用前景，如用于制造光开关，光放大，光存 储器，光限幅器及光子频率变换器等新型器件。相信随着科学技术的飞速发展， 人们将对光子晶体这一名词耳熟能详，从人们书桌上的高速个人电脑( 上百甚至 上千g h z 的运算速度) ，到快速而便捷的网络设施，甚至家中能够根据室内实 际温度自动开关调节的空调系统，都可能要得益于这种前途光明的新型材料a 兰州大学硕士论文 第一章光子品体简介 1 7 光子晶体的理论研究 为了寻找绝对能隙，物理学家需要一套能计算光子能带结构x ( u ) 的数值方 法，于是，固体物理中许多计算电子能带的方法纷纷被改进套用在光子系统中。 目前已经有一些方法用来模拟电磁波在光子晶体中的传播，如现平面波法( p l a n e w a v em e t h o d ) 、转移矩阵法( t r a n s f e rm a t r i xt e c h n i q u e s ) 、有限时域差分法 ( d i f f r a c t i o ng r a t i n gm a t h o d ) 、超原胞方 法( s u p e r c e l lm e t h o d ) 等等。 平面波法【2 6 0 7 】这是传统的用来计算电子能量禁带的方法，它可以直接给 出光子禁带结构。其基本的思想是：将电磁波和随空间变化的介电常数的倒数在 倒易空间以平面波的形式叠加展开，于是将麦克斯韦方程组化成了一个本征方 程。求解它的本征值便得到了传播的光子的本征频率。由于这种方法需要用b l o c h 定律确定本征值，当材料折射率分布的周期性保持比较好时还是很有效的。但是， 在一些复杂的体系中，如有缺陷的时候，需要大量的平面波，而这可能因为计算 能力的限制难以得到准确解释，甚至因为在展开中出现发散而得不到解。1 9 9 0 年，光子晶体的研究才刚刚起步，美国埃荷华大学的何启明领导的研究小组就首 次成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带。 他们当时采用的理论计算方法就是平面波展开。 超原胞方法 2 8 , 2 9 这种方法是用来计算在光子晶体周期性被破坏或者有 “缺陷”的区域中引入的“杂质态”的。但是，和平面波方法一样，当周期性被 破坏得很严重时，该方法变得很不可靠。 转移矩阵方法 1 7 , 3 0 , 3 1 】是将空间分割成许多格点( 一维模型则为层) ，通 过转移矩阵表示一个格点的场强和周期相邻格点场强之间的关系，从而可以利用 麦克斯韦方程组将电磁场从一个初始位置外推到整个光子晶体空间。于是求解麦 克斯韦方程组变成了求解本征值的问题。这种方法对各种各样的一维体系，尤其 是介电常数随频率变化的结构特别有效，精确度非常好，并且可以同时计算色散 曲线、投射率和反射率。所计算的结果可以直接和实验相比较。但若用这种方法 计算光子禁带的结构就比较困难。 有限时域差分法口2 】这是电磁场计算中用得比较多的方法。以差分的方 式代替麦克斯韦方程中的微分项，然后以网格的方式代替将要考察的空间范围， 当初始条件和边界条件给定时，电磁波在空间的传播过程就直接给出来了。采用 兰卅l 大学硕士论文第章光子晶体简介 这种方法，其计算量只与体系的大小有关，而与体系的内部结构是否具有周期性 等无关，通过模拟每个时刻空间的电场分布，理论上我们可以得到一切有关电磁 波在介质中的传播信息。 值得一提的是，目前国内外对光子晶体理论性的研究相当热门。一些研究小 组专门在i i 】t e 试上建立网站来介绍光子晶体。女nh t t p ：w w s s t p h i c a c u l d p h o t o n i c s 是 专门研贫了盱晶体的网站：h t t p ：w w w n e c i n i n e c c o m h o m e p a c e s v l a s o v p h o t o n i c h t m 介绍光予晶体研究的进展情况。h t t p ：a b - i n i t i o m i t e d u m p b 提供了免费的计算程 序供感兴趣的研究者下载，不过是在ij n 环劈下j 彰亍的，也有提供能在w i n d o w 环境下 运行的i 目 韵网站，女h h t t p ：w w e l e c g l a a c u k 、a r e y n o l d s s o f l w a r e s o f t w a r e m a i n h t m 。 1 8 本章小结 二十世纪人们通过控制电子运动发展起来半导体技术，引发了通讯和计算 机的一场革命，如今在光子晶体得发展让科学家们预言在二十一世纪这些行业将 再次经历一场新的革命。不难想象这场革命就是所谓的光代替电，我们都知道信 息发展的一个重要方向就是由光子代替电子传输讯息。所以一个不可限量的研究 领域和应用前景即将被开拓 兰州大学硕士论文 第一章光子晶体简介 参考文献： 1 e y a b l o n o v i t c h ，p 枷r e v l e t t 1 9 8 75 8 ：2 0 5 9 2 s j o h n ，p 矗”r e v l e t t ，1 9 8 75 8 ：2 4 8 6 3 p h o t o n i cc r y s t a l s ：m o l d i n gt h ef l o wo fl i g h te d i t e db yj d j o a n n o p o u l o s r d m e a d e ，a n dj n w i n n ，( p r i n c e t o nu n i v p r e s s ，n j ，i9 9 5 ) 【4 4 p h o t o n i cb a n dg a pm a t e r i a l s ，n a t o ，a s i ，e d i t e d b yc m s o u k o u l i s ( k l u w e r , d o r d r e c h t ，19 9 6 ) 5 p h o t o n i cb a n dg a p s a n d l o c a l i z a t i o n ，n a t oa r w , e d i t e d b y c m s o u k o u l i s ( p l e n u m ，n e w r o r k ，1 9 9 3 ) 【6 k m h o ，c tc h a n ，c m s o u k o u l i s ，p 枷r e ul e t t ，1 9 9 06 5 ：3 1 5 2 7 e y a b l o n o v i t c h ，k m l e u n g ，p h y s i c at 3 , 1 9 9 11 7 5 ：8 1 8 】1f k r a u s s ，r d d el a r u e ，p 懈q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 9 92 3 ：5 1 9 】周静王选章谢文广2 1 世纪最具潜力的新型材料“光子晶体” 1 0 e m p u r c e l l ，p 幻珂r e v b 1 9 6 46 9 ：6 8 1 1 1 】s j o h n ，p h y s i c st o d a y1 9 9 13 2 ：3 3 1 2 m i g u e z ，h ；k i t a e v , v ；o z i n ，ga a p p l 尸蛳l e t t 2 0 0 4 ，8 4 ：1 2 3 9 【1 3 j m d r a k ea n d a z g e n a c k ，e h y s r e v 1 e t t 1 9 8 96 3 ：2 5 9 1 4 1 s l m c c a l l ，em p l a t z m a n ，r ，d a l i c h a o u c h ，d s m i t h ，a n ds s c h u l t z ，n a t u r e 3 5 4 ，5 3 ( 1 9 9 1 ) 1 5 d s w i e r s m a , pb a r t o l i n i ，a d l a g e n d 日k ，r r i g h i n i ，n a t u r e1 9 9 73 9 0 ：6 7 1 1 6 j b p e n d r y , p h o t o n i cb a n ds t r u c t u r e s ，m o d o p t ，1 9 9 44 1 ：2 0 9 1 7 p m b e l l ，j b p e n d r y , l m o r e n o ，a j w a r d ，c o m p u t p 蛳c p m m u n ，1 9 9 4 8 5 ：3 0 6 1 8 g a l i s t e o - l o p e z ，j 二p a l a c i o s - l i d o n ，e ；l o p e z ，c e h y s r e v b2 0 0 3 ，6 8 ：1 1 5 1 0 9 1 9 x yl e i ，h l i ，fd i n g ，e ta 1 ，a p p l p 枷l e t t ，1 9 9 77 1 ：2 8 8 9 2 0 p h o t o n i cc r y s t a l s ：m o l d i n gt h ef l o wo fl i g h t e d i t e db yj d j o a n n o p o u l o s ，r d m e a d e ，a n dj n w i n n ，( p r i n c e t o nu n i v p r e s s ，n j ，1 9 9 5 ) 2 1 a m e k i se ta 1 ，p 枷r e v l e t t 1 9 9 67 7 ：3 7 8 7 2 2 g a l i s t e o l o p e z ，j f ；l o p e z ，c p 枷r e v b2 0 0 4 ，7 0 ，0 3 5 1 0 8 15 兰州大学硕士论文 第一章光子晶体简介 2 3 s 一yl i n ，ec h o w , vh i e t a l a ，er v i l l e n e u v e ，a n dj d j o a r m o p o u l i s ，s c i e n c e 1 9 9 82 8 2 ：2 7 4 2 4 s f a ne t a l ，j = g 忱s o c a m b2 0 0 11 8 ：1 6 2 2 5 1 j c ，k n i g h t ，j b r o e n g ，t a b r k s ，a n dps t j e u s s e l l ，s c i e n c e ，1 9 9 82 8 2 ：1 4 7 6 2 6 】r d m e a d e ，a m r a p p e ，k d b r o m m e r , j d j o a n n o p o u l o s ，o la l e r h a n d ， p 坶s r e v b ，1 9 9 34 8 ：8 4 3 4 2 7 h s s 6 z u e lj wh a u s ，r ，i n g u v a , p 枷r e v b ，19 9 24 5 ：13 9 6 2 【2 8 e y a b l o n o v i t c h ，t ，j g m i t t e r , r d m e a d e ，a m r a p p e ，k ，d b r o m m e r , j d j o a n n o p o u l o s ，p h y s r e v , l e t t 1 9 9 16 7 ：3 3 8 0 2 9 h b e n i s t y , 一a p p lp 矗”，8 5 ( 19 9 6 ) 3 0 6 3 0 j b p e n d r y , a m a c k i r m o n ，p 帆r e v l e t t ，6 9 ( 1 9 9 2 ) 2 7 7 2 31 j b p e n , ，m o do p t ，4 1 ( 1 9 9 4 ) 2 0 9 3 2 1n w i n n ，a d e v e n y i ，j c c k e n ，r d m e a d e ，j d j o a t m o p o u t o s ，jo p t s o c a m b ，1 2 ( 1 9 9 5 ) 1 2 6 7 6 兰州大学碗= 匕论文第二章光子晶体制各方法概述 第二章光子晶体的制备方法概述 在自然界里，相对于普遍存在的半导体而言，天然光子晶体是很少见到的， 尽管从彩色蛋白石、蝴蝶的翅膀和海鼠的脊骨也发现了光子晶体川。因此，光子 晶体的实验室制备是光子晶体研究和应用的基础。最近一些研究组通过用平板刻 印法制各出了具有三维周期性结构的光子晶体。随着微米和纳米技术的日渐成 熟，运用自组装方法制各光子晶体己成为一种新的合成路线。为此，本章介绍几 种实验室制备光子晶体的方法，我们将制各方法简单的分为物理方法和化学方法 两大类。 2 1 物理方法 利用物理微机械加工技术，人为的制造出周期性结构的介电材料。最典型的 结构有下述三种： 2 1 打孔法 利用微电子技术，在半导体材料上刻蚀出一定的孔洞结构是早期光子晶体的 制备方法。早在1 9 9 1 年y a b l o n o v i t c h 研究小组利用此方法制备出第一个具有完 全带隙的光予晶体结构 2 1 。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块介电材料的表面 以偏离法线3 5 2 6 。的角度从3 个方向钻孔，各方向的夹角为1 2 0 。该方法的 挑战之一是当孔钻得较深和彼此交叉时，孔会产生位置偏离，从而影响其周期性 结构。( 如图1 1 ) 2 1 逐层叠加法 逐层叠加法f 3 。5 是指用许多二维周期结构的棒叠加在一起构成三维光子 晶体。图2 1 给出一个典型的逐层叠加结构的三维光子晶体，由于其在外观 上就像堆垛的木柴，故又称为木柴堆垛法。以制各g a a s 光子晶体为例，具 体步骤如图2 1 所示。( 1 ) 用外延生长法在基板上生长光子晶体层( g a a s 层) 7 兰卅l 大学硕士论文 第二章光予品体制各方法概述 和腐蚀截止层( a 1 g a a s 层) ；( 2 ) 利用半导体显微制造技术( 电子束平版印 刷和活性离子刻蚀) 制造出二维结构；( 3 ) 将通过( 1 ) 、( 2 ) 步骤制备出的 一对晶片，其中一个旋转9 0 0 面向叠加，在n 2 气氛中加热时晶片熔接在一起； ( 4 ) 将熔接后的晶片一侧的基板和腐蚀截止层选择性的腐蚀掉：( 5 ) 重复前 面的步骤构建出周期性结构的三维光子晶体。图2 2 示意了用逐层叠加法制 备的光子晶体结构。原则上这种方法为制备短波长三维光于晶体提供了一个 可行的途径，但由于需要用镀膜、光刻和腐蚀等，显微电子机械系统与集成 电路制造技术，对短波长区域光子晶体的制造工艺比较繁琐。 图2 1 逐层叠加法( 木柴堆垛法) 制各光子晶体步骤示意图 图2 2 制备完整木柴堆垛结构的光子晶体示意图 图2 3 所示为利用平版印刷将二维的空洞和二维的柱子层层叠加制备三维周 期性结构光子晶体的具体过程陋1 ，图2 4 示意给出完整的柱一洞式三维结构的光子 晶体。 兰j i l 大学硕士论文 第二章光子晶体制备方法概述 图2 3 利用平版印刷术制备三维光子晶体过程图 2 2 化学方法 图2 4 柱洞式光于晶体的完整结构 溶胶一凝胶法制作光子晶体是目前比较流行的化学方法之一，主要是利用胶 体系统通过颗粒组装来实现三维有序结构。对于颗粒的基本要求是单分散、单尺 寸均匀的亚微米球形粒子。由于单分散小球的制各是利用胶体原理，故这种方法 也称胶体法。自组装排列胶体粒子是发展光子晶体等亚微米周期有序结构及新型 兰州大学硕士论文第二章光子品体制备方法概述 光电子器件十分重要的环节。高电荷密度单分散胶体球在较弱的离子强度和稀浓 度下会自发排列形成紧密堆积的周期性结构，以此为基础人们发展了多种结晶化 胶体粒子的方法，包括重力场沉积、电泳沉积、胶体外延技术、垂直沉积、流通 池、物理束缚排列等等。目前排列的胶体粒子基本为球形，材料也多为s i 0 2 、 p s 、p m m a 。和一些复合粒子，主要为核壳粒子。这些方法及其变通的使用可 以形成类蛋白石及反蛋白石结构，最终实现光子带隙及其它多种用途。 2 2 1 重力场沉积 该方法是仿照地壳中欧泊( 蛋白石) 的自然形成过程。l o p e z 研究组对s t 6 b e r 方法制备的s i 0 2 球的重力沉降做了比较详细的研究们。 粒子的重力沉降过程服从s t 6 k e s 定律，沉降速度与粒子的密度、尺寸、分 散介质粘度密切相关。对于s i 0 2 ，粒径较大( 5 5 0 r i m ) ，重力场能量远大于热能 ( k b t ) ，沉积过程将远离平衡状态，沉降速度过快，常得到无定形沉淀；反之，粒 径过d , ( 2 8 的材料来制备反相蛋白石，就可成功地制各出可见光和接近红外波 段的光子晶体。可以利用溶胶凝胶法，电化学法，化学气相沉积来填充合成的蛋 白石球形颗粒之间的空隙指背出反蛋白石结构的光子晶体【2 8 , 2 9 。表2 给出了用 于制作光子晶体的半导体材料的主要参数。 2 3 本章小结 光子晶体的制备大致可以分为物理方法和化学方法两种，但是由于物理方法 对仪器和技术要求比较高，相反化学方法所需求的仪器比较简单。因此，大多实 验室选择化学方法制备光子晶体。化学方法中包含有重力场沉积法、电场辅助沉 积法以及垂直沉积法等等。综合各种方法的优缺点，本论文采用垂直沉积方法制 各光子晶体。 兰型查兰堡主堕兰 塑三兰堂王曼竺型鱼查鲨塑堕 参考文献 【1 】1 p a r k e ra r ，m c p h e d r a nrc ，m c k e n z i edr ，b o t t e nlc ，n i c o r o v i c inap n a t u r e j ，2 0 0 1 ，4 0 9 ：3 6 - 3 8 2 e y a b l o n o v i t h ，k m l e u n g ，p h y s i c ab ，1 9 9 1 ，1 7 5 ：8 1 3 k o e n d e r i n k ，a f ；v o s ，wl p h y s r e v l e t t 2 0 0 3 ，9 1 ：2 13 9 0 2 4 s f a n ，pv i l l e n e u v e ，r m e a d e ，a n dj j o a r m o u p o l i s ，a p p lp h y s l e t t 19 9 4 ，6 5 ： 1 4 6 6 5 m w a n k e ，o l e h m a r m ，k m u l l e r , e z ，w e n ，a n dm s t u k e ，s c i e n c e ，19 9 7 ， 2 7 5 ：1 2 8 4 6 】s ，gj o h n s o ne ta 1 , a p p l 户蛳l e t t 2 0 0 0 ，7 7 ：3 4 9 0 7 m e s e g u e rf ，b l a n c oa ，m i g u e zh ，e t a l c o l l o i d s a n ds u r fa p h y s i c o c h e m e n g a s p e c t s , 2 0 0 2 ，2 8 2 ：2 8 1 2 9 0 8 m i g u e zh ，m e s e g u e rf ，e t a l l a n g m u i r19 9 7 ，1 3 ：6 0 0 9 6 01l 9 】m i g u e zh ，m e s e g u e rf e t a l a d v m a t e r ，19 9 8 ，1 0 ：4 8 0 4 8 3 1 0 】l o p e zc ，v a z q u e zl ，m e s e g u e rf ，e t a l s u p e r l a t t i c e sm i c r o s t r u c l ，1 9 9 7 ，2 2 ： 3 9 9 4 0 4 11 b l a n c oa ，c h o m s k ie ，g r o b t c h a ks n a t u r e ，2 0 0 0 ，4 0 5 ：4 3 7 4 4 0 1 2 h o l g a dm ，g a r c i a s a n t a m a r i af ，b l a n c oa ，e t a l l a n g m u i r , 1 9 9 9 ，1 5 ：4 7 0 1 4 7 0 4 1 3 r o g a c h a l ，k o t o v n a ，k o t y s hd s ，e t a l c h e nm a t e r ，2 0 0 0 ，1 2 ：2 7 1 2 2 7 2 6 1 4 v a nb l a a d e r e na ，w i l t z i u sra d v m a t e r ，1 9 9 7 ，9 ：8 3 3 8 3 5 1 5 v a nb l a a d e r e n a ，r u e lr ，w i l t z i u spn a t u r e , 1 9 9 7 ，3 8 5 ：3 2 1 3 2 4 1 6 l i nk - h ，c r o c k e rj c ，p r a s a dj c ，e t a l e h y s l e t t ，2 0 0 0 ，8 5 ：1 7 7 0 1 7 7 3 1 7 o z i ng a ，y a n gs m ，a d v f u c t , m a t e r ，2 0 0 1 ，1 1 ：9 5 1 0 4 1 8 】y a n gs m ，o z i ng a ，c h e m c o m m u n ，2 0 0 0 ，2 5 0 7 2 5 0 8 1 9 】y a n gs m ，m i g u e z h ，o z i n g a ，a d v , f u c t m a t e r ，2 0 0 2 ，1 2 ：4 2 5 4 3 1 2 0 j i a n gp ，o s t o j i cg n ，n a r a tr ，e t a l a d v m a t e r ，2 0 0 1 ，1 3 ：3 8 9 - 3 9 3 2 1 g uz z ，f u j i s h i m a a ，s a t oo c h e m m a t e r ，2 0 0 2 ，1 4 ：7 6 0 - 7 6 5 2 2 v l a s o vy a ，b o x z ，s t u r mj c n a t