2022-2023学年高二物理竞赛课件：光子晶体的制备

光子晶体的制备

2光子晶体的制备光子晶体制备方法很多，研究最多是类蛋白石结构法和利用微电子加工技术法。3图24是一个15级的分形结构平面，在入射微波频率为1－18GHz情况下的透射和反射特性。由于分形线在xy平面(即如图所示的平面)取向的非对称结构，故此分形板具有不同的极化取向。图(a)和(b)是入射电磁波垂直于入射面时的透射和反射特性。由图可知，电磁波在频率为1.06，2.63和7.27GHz时，完全无法透过分形板。与之相应，其反射同时也达到最大值。图(c)和(d)是将分形板旋转90°时的透射和反射特性。同样可以看到有三个明显的禁带，但其频率位置发生了变化。这是由于前面所提到的非对称结构所致。4图24平面分形结构对电磁波透射及反射谱电磁波在频率为1.06，2.63和7.27GHz时，完全无法透过分形板，可以看到有三个明显的禁带。5分形结构的逆图形称为分形槽结构，即原来的分形线由狭槽取代。利用这种结构可以制备出红外区域光子能隙结构材料。分形槽采用光刻蚀的方法，在400μm的硅片上复制分形图案，然后分别蒸镀上5nm和100nm厚的Ti和Au金属薄膜上形成“反分形”结构，从而诱发波长在2—200μm的红外禁带和通带。亚波长分形槽结构具有红外禁带和通带特性。即使狭缝的尺度比波长小很多，在通带范围内，其透射程度仍然相当高。6图25分形槽结构及其红外透射、反射和发射光谱(a)分形槽结构;(b)红外透射、反射及发射谱;(c)分形槽的微波透射谱7微电子加工法主要包括激光刻蚀、电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、逐层刻蚀等先进半导体技术。微波波段的光子晶体由于其晶格常数在厘米至毫米量级，制作起来比较容易。亚微米和远红外波段的光子晶体的制备则需要采用先进的微电子技术。8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。用化学辅助离子束刻蚀法可制得GaAs和GaAsP光子晶体，它们的光子带隙都处于微波范围。由于这种方法受到微电子技术的限制，很难制出复杂的、带隙范围在可见光区的三维结构，它更多的被用在低维结构的制备上。层层叠加技术是把多层一维结构叠加成三维结构，每四层相互重复。人们先后用二氧化硅、多晶硅等材料制得微波范围内的三维光子晶体。9利用传统的微电子加工技术虽然能够制出比较满意的光子晶体，但工艺复杂，造价昂贵，不利于大规模的光子晶体生产。虽然极力向更短波长推进，但由于受光的衍射极限和现有半导体技术水平的限制，这种方法在制备更小波长尺度的三维光子晶体方面遇到极大的困难。10类蛋白石结构法蛋白石是一种天然的有无定型二氧化硅构成的光子具体，具有不完全光子带隙。受此启发，人们希望用化学法制备出具有蛋白石结构的光子晶体。最早的蛋白石结构是首先制得粒径在200～800nm之间的单分散性二氧化硅微球，将微球乳液静置，干燥后焙烧得到的。但这种结构中两种介质(二氧化硅和空气)的折射率比只有1.4，远低于完全光子带隙要求值4。11为解决这一问题，人们开始在蛋白石结构的孔隙中添入一些高介电常数的物质来提高折射率比。在蛋白石结构的孔隙中填充折射率为3.4的InP(占孔隙体积的4%，图26)，从而使这种蛋白石结构的布拉格折射增加了1.5～2倍。当填充率达到一定值后，去除二氧化硅模板就得到反蛋白石结构。1213用直径1μm的二氧化硅微球为模板并用化