（材料加工工程专业论文）富勒烯、介孔分子筛纳米材料光学传输特性与模拟计算.pdf

太原理： 火学博士研究生学位论文 富勒烯、介孑l 分子筛纳米材料光学特- | 生与模拟计算 摘要 光子( p h o t o n ) 具有电子所不具备的优点，即光子在介电材料中的传播 速率比电子在金属导体中的传播速率要快得多，并且光子之间没有电子 之间的相互作用，能量损耗小。1 9 8 7 年y a b l o n o v i t c h 和j o h n 分别提出了 介电常数呈周期性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为，并称 这种材料为光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 。光子晶体中的光子与一般晶体 ( 电子晶体) 中的电子相似，都有能带结构，都会因为有杂质和缺陷态 的存在而存在局域态。由于光子晶体能够控制光在其中的传播，所以它 的应用十分广泛，目前光予晶体己成为世界研究领域的重要课题之一。 在光子晶体材料中，某些频率波段的电磁波是被完全禁止传播的，通常 将这些被禁止的频率区间称为“光子禁带”( p h o t o n i cb a n dg a p ) ，如果光 的频率落在禁带范围内，则它不能在光子晶体中传播。这种周期性结构 控制光的能力远高于普通光学元件控制光的能力，由于其独特的性质， 产生了许多崭新的物理特性，可以用于制作全新概念或以前所不能制作 的高性能光学器件，如阈值接近于零的半导体激光器、滤波器、光开关、 偏振片、光波导等。理论上讲人们可以制造晶格尺寸与光波的波长相对 应的任意波段的光子晶体，但由于技术条件的限制目前光子晶体的制备 和研究主要集中在波长大于红外、可见光的波段。而波长小于可见光波 段的光子晶体的理论和实验研究仍然很少，这主要是由于大部分的材料 在低于可见光波段介电函数为一变量呈复数形式，且虚部的值较大，存在 严重的吸收；另一方面现有的加工工艺制造具有几个纳米或几十个纳米 太原理工大学博士研究生学位论文 的光子晶体还有缀丈的难度。 c 。的发现是人类对碳认识的新阶段，富勒烯是由碳形成的一系列笼 形单质分子的总称，而c 。是富勒烯系列全碳分子的代表。十多年来人们 对萁其有桶物理和化学性能进行了大量的实验和理论磅究。对于c 6 0 及其 衍生物，要使其优异性能付诸于真正的实际j 踅用，其关键环节是在固体 基片上毒l 备窭有序的c 6 。及萁衍生物薄膜。经过不颧憋尝试星翦入嬲已经 可以在多种金属、半导体等衬底材料上制备出高质量的窝勒烯单艨膜或 多层膜，如衬底材料为a g ，c u ，s i ，g e ，g a a s ，a i n ，g a n 的寓勒烯单层膜或 多层貘结稳。但雷蓠鬻勒烯单屡艨或多瀑薄膜的磷究主要集中在界西结 构、物理性能及形成机理等方面，很少有关予富勒烯薄膜用作光子晶体 豹研究报道。 自1 9 9 2 年m o b i l 公司的研究人员首次报道m 4 1s 系列介孔分子筛以 来，大量的孔径尺寸在2 - 3 0 n m 尺度的一维层状结构、一维六方孔道结构、 三维立方孔道等不同结构的介孔分子筛褶缝合成。介孔分予蒲具裔独特 的应用价值，早已用于催化、吸附、分离、及半导体等领域。另外研究 发现有些分孔材料具有光子晶体联要求的结构特征，然薅- 到量前有关分 孔分子筛髑于光子晶体的理论和爽验研究却很少，由子光子晶体的晶格 尺寸与光波的波长相比拟，而介孔分子筛晶格尺寸在纳米尺度内任意可 控，显具有不蠢分电慧数麓号礓毒孝耩憝奔孔分予筛不赣合成，使分孔分 子筛在纳米波段将可能成为二维、三维光子晶体材料。 总之，鬻勒烯薄膜、介孔分子簿作为光子晶体材料睡蘩还几乎没有相 关文献报道，本文以c 6 0 、c 7 0 薄膜和m c m 4 t 类介孔分子筛为研究对象， 使用转移矩阵方法( t m m ) 从理论上对这两种类型纳米材料作为维、 二维光子蘸体蕊毙子带黥结构进行了分析、诗算。 太原理工大学博士研究生学位论文 一、在理论上探讨了f u l l e r e n e s ( c 6 0 、c 7 0 ) m ( a 1 n 、g a n ) 多层膜作为 一维光子晶体的可能性，首次使用传输矩阵方法( t m m ) 计算了 c 6 0 a 1 n 、c 6 0 g a n 、c 7 0 a 1 n 多层膜从正入射到掠入射的整个角度范围内 获得紫外线波段高反射的理论问题。计算发现c 6 0 a 1 n 、c 6 0 g a n 、c 7 0 a 1 n 多层膜在紫外线波段均具有光子带隙存在，且t m , t e 偏振模式重合， 为不完全带隙的光子晶体。当多层膜周期厚度为7 0 r i m 、填充比为0 7 时， c 6 0 a 1 n 、c 7 0 a 1 n 多层膜在掠入射( 7 5 。) 状态时，最高反射率可达9 0 4 ( 带隙中心位置6 2e v 、6 0 9e v ) 。 二、探讨了c 6 0 、( c ，9 n ) ：薄膜网络结构作为二维光子晶体的可能性。 首次使用传输矩阵方法计算了c 6 0 、( c 5 9 n ) 2 薄膜网络结构在近红外以及可 见光波段作为二维光子晶体的带隙特性。分析表明：同一介电函数材料、 不同的结构模型，或不同介电函数的材料、同一结构模型，所形成光子 带隙的位置、宽度、周期层数等光学特性是不同的。通过控制和选取具 有不同介电函数的c 6 0 及其衍生物薄膜材料有可能获得在近红外、可见光 波段的光子晶体材料。 三、运用c e r i u s 2 分子模拟软件，构建了m c m 4 1 、s b a 1 、s b a 一6 和 s b a 1 6 介孔分子筛的原子结构模型。模拟分析了m c m 4 1 、s b a 。1 、s b a 6 和s b a 1 6 介孔分子筛的x 射线衍射谱图( x r d ) 。模拟x 射线衍射谱和 实验结果吻合较好。另外还分析了m c m - 4 1 中孔道尺寸与x 射线衍射谱 的关系。 四、在理论上探讨了m c m 4 1 类介孔分子筛作为二维光予晶体的可 能性，使用传输矩阵方法( n 心d ) 计算了m c m 一4 1 、s b a 1 5 介孔分子筛 在软x 射线波段作为二维光子晶体的带隙结构。计算表明m c m 一4 1 类介 孔分子筛理论上有可能用做5 1 1 7 0 e v ( 7 2 9 - - - 2 4 3 n m ) 波段的二维光予晶 太原理工大学博士研究生学位论文 体材料。 关键词：光子晶体，富勒烯薄膜，介孔分子筛，模拟计算，传输矩阵方 法 太原理工大学博士研究生学位论文 a n a 瓢y s i sa n ds i m u l a t l o no np h o t o n l c p r o p e r t i e s o ff u l l e r e n e sa n d m e s o p o r o u sm a t e r i a l s a b s t r a c t ap h o t o nh a st h ea d v a n t a g eo ff a s t e rs p e e dc o m p a r e dw i t ha ne l e c t r o n u n l i k ee l e c t r o n ，t h e r ei sn oi n t e r a c t i o na m o n gp h o t o n s ，t h u sr e s u l t i n gi nl o w e n e r g yl o s s i n1 9 8 7 ，y a b l o n o v i t c ha n dj o h np o i n t e do u tt h a tt h em a t e r i a l s w i t hp e r i o d i c a l l yd i s t r i b u t e dd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，w h i c ht h e yc a l l e dp h o t o n i c c r y s t a l s ( p g s ) ，c a nc h a n g et h eb e h a v i o ro fp h o t o n sp a s s i n gt h r o u g hi t t h e r e i sa l s oe n e r g yb a n ds t r u c t u r ef o rp h o t o n si np h o t o n i cc r y s t a l ，j u s ta st h a tf o r e l e c t r o n si nn a t u r a lc r y s t a l ( e l e c t r o n i cc r y s t a l ) l o c a l i z e ds t a t ew i l ta p p e a ri n p r e s e n c eo fi m p u r i t yo rd e f e c t b e c a u s ep h o t o n i cc r y s t a lc a nc o n t r o lt h ef l o w o fp h o t o n s ，i th a sm a n ya p p l i c a t i o n sa n dh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n t r e s e a r c h s u b j e c t a l lo v e rt h ew o r l d f o rm a n ya p p l i c a t i o n s i n v o l v i n gt h eu s eo fp c si ti sd e s i r a b l et oa c q u i r ec o m p l e t ea n da b s o l u t e p h o t o n i cb a n dg a p s ( p b g s ) i nt h e c a s eo fs u c hp b gs t r u c t u r e s ，t h ew a v e p r o p a g a t i o ni sf o r b i d d e nf o ra n yd i r e c t i o no fp r o p a g a t i o n ，a n di n d e p e n d e n to f t h ep o l a r i z a t i o ns t a t e d e p e n d i n go nt h ef r e q u e n c yr e q u i r e m e n to fs p e c i f i c 太原理工大学博士研究生学位论文 a p p l i c a t i o n s ，t h ee n g i n e e r i n go f t h es t r u c t u r e sw h i c ha r ep e r i o d i cf o rw a v e so n b o t ht h r e e d i m e n s i o n s ( 3 d ) a n dt w o d i m e n s i o n s ( 2 d ) h a v eb e e na c h i e v e di n t h ei n 鑫a r e d ，m i c r o w a v e ，a n dm i l l i m e t e r w a v er e g i o n 。f o rw a v e l e n g t hs h o r t e r t h a ni n f r a r e d ，o n l ys e v e r a le x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls y s t e m sh a v er e c e n t l y b e e nd e m o n s t r a t e dt oe x h i b i tt h es i g n a t u r eo fc o m p l e t eb a n dg a p s ，w h i l et h e s t u d yo nt h ep cc r y s t a l sw i t hp b g ss h o r t e rt h a nv i s i b l el i g h tr e g i o ni ss t i l l l a c k i n g t h o s ea r em a i n l yb e c a u s em o s to ft h em a t e r i a l si no n eh a n dh a v e h i g ha b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h e i rd i e l e c t r i cc o n s t a n t sc h a n g ec o n s t a n t l y u n d e rp r o l o n g e di r r a d i a t i o nw i t hx - r a ya n du vl i g h ta n do nt h eo t h e rh a n di t i sd i f f i c u l tt oc o n s t r u c tt h es t r u c t u r e si nn a n o s c a l eb yc u r r e c tp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h ef u l l e r e n e sc e r t a i n l yr e p r e s e n tan e wa n de x c i t i n gc l a s so fm a t e r i a l s m u c hw o r kh a sb e e nc a r r i e do u tb o t he x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h e p r e p a r a t i o no fh i g h q u a l i t yc 6 0f i l mh a sb e e na c h i e v e d t h ea v a i l a b i l i t yo f m u l t i l a y e rf i l mi si m p o r t a n tf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no ff u l l e r e n e s h i g h q u a l i t y c 6 0 t h i nf i l m sh a v e b e e ng r o w n s u c c e s s f u l l y o nv a r i o u sm e t a la n d s e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t e s ，s u c ha sa g ，c u ，s i ，g e ，g a a s ，a 1 n ，g a n i nr e c e n t y e a r s ，m u c hw o r kh a sb e e nd o n et oi n v e s t i g a t et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nc 6 0 o v e r l a y e r sa n dv a r i o u sm e t a la n ds e m i c o n d u c t o rs u r f a c e s u pt on o w , m o s to f p r e v i o u sw o r k sh a v eb e e nl i m i t e dt ot h es t u d yo ft h es t r u c t u r a la n dp h y s i c a l p r o p e r t i e so ff u l l e r e n em u l t i l a y e rf i l m s ，t h e r eh a v eb e e nf e wi n v e s t i g a t i o n so f 太原理工大学博士研究生学位论文 t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ff u l l e r e n em u l t i l a y e rf i l m s 。 s i n c et h e d i s c o v e r y o fm 41s f a m i l y o fm e s o p o r o u ss i l i c a t e sa n d a l u m i n o s i l i c a t e si n19 9 2 ，n u m e r o u sm e s o p o r o u so rn a n o p o r o u sm a t e r i a l sw i t h p o r es i z e sb e t w e e n2n l na n d3 0n n lh a v eb e e ns y n t h e s i z e db e c a u s eo ft h e i r p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nc a t a l y s i s ，s e p a r a t i o no fl a r g em o l e c u l e s ，m e d i c a l i m p l a n t s ，s e m i c o n d u c t o r ，m a g n e t o e l e c t r i cd e v i c e s ，e t c w h i l em u c ho ft h e a c a d e m i ca n di n d u s 垤i a lr e s e a r c ho nm 4lsm a t e r i a l sh a sf o c u s e do nt h e s y n t h e s i sp r o c e d u r e s a n dc h e m i c a lb e h a v i o u r s ，t h e r eh a v e b e e nf e w i n v e s t i g a t i o n so ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e s em a t e r i a l s t h ep o r es i z eo f m c m 一4 1t y p eo fm a t e r i a l sc a nb ec o n t r o l l e di nn a n o m e t e rr a n g e ，i tc a n t h e r e f o r eb ee x p e c t e dt h a tt h em e s o p o r o u sm a t e r i a l sm a yb eu s e da sp b g c r y s t a l sw i t hab a n d g a pl o c a t e di nt h en a n o w a v er a n g e s 。 h o w e v e r , t oo u rk n o w l e d g et h e s em a t e r i a l s h a v en o tb e e n u s e da s p h o t o n i cc r y s t a l sa n di ti st h ea i mo ft h i st h e s i st os h o wt h a tf u l l e r e n e s ( c 6 0 ， c 7 0 a n ds oo n ) a n dm e s o p o r o u sm o l e c u l a rs i e v e s ( m c m 一4 1 ，s b a 一1 5 ) m a yi n p r i n c i p l e b eu s e da s o n e d i m e n s i o n a l ( 1 d ) a n dt w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) p h o t o n i cc r y s t a l s f u l l e r e n e s ( c 6 0 ，c 7 0a n ds oo n ) a n dm e s o p o r o u sm o l e c u l a r s i e v e s ( m c m 一41 ，s b a - 15 ) a r et r e a t e dt h e o r e t i c a l l y a sp h o t o n i cc r y s t a l s a l o n gt h e m a i nd i r e c t i o n ，1 da n d2 df u l l e r e n ef i l m sa n dm e s o p o r o u s m o l e c u l a rs i e v e sp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d i 。c 6 0 a i n ，c 7 0 a i n ，c 6 0 g a nm u l t i l a y e rt h i nf i l m sh a v eb e e nt r e a t e d 太原理工大学博士研究生学位论文 t h e o r e t i c a l l ya s1dp h o t o n i cc r y s t a l su s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ( t m m ) t h er e s p o n s eh a sb e e ns t u d i e db o t hw i t h i na n do u to ft h ep e r i o d i cp l a n eo f c 6 水l n ，c 7 0 a 1 n ，c 6 0 g a nm u l t i l a y e r s i tw a sf o u n dt h a tw h i l ec 6 0 a 1 n ， c 7 舭1 n ，c 6 0 g a nm u l t i l a y e rf i l m ss h o wc o m p l e t ep b gb e h a v i o ri nu v r e g i o n af a b r i c a t e dc 6 0 a 1 n ( o rc 7 d a l n ) m u l t i l a y e r sw i t h2p a i r so f 4 9n m c 6 0 ( o rc 7 0 ) a n d21n ma 1 nl a y e r ss h o w e dah i g ht h e o r e t i c a lr e f l e c t i v i t yo f 9 0 4 a tap h o t o ne n e r g yo fa b o u t6 2e vf o rc 6 0 a i nf o r6 0 9e vf o r c 7 d a i n ) t h e s ep h o t o n i cc r y s t a l sm a yb ei m p o r t a n tf o rf a b r i c a t i n gap h o t o n i c c r y s t a lw i t ha ni n c o m p l e t eb a n dg a pi nu vr e g i o n i i u s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o dw eh a v ec a l c u l a t e di nf a b r i c a t i n ga2 d p h o t o n i cb a n d g a ps t r u c t u r ei nt h ec 6 0a n d ( c 5 9 n ) 2b a s e dn e t w o r k sw i t h a b s o l u t ep h o t o n i cb a n d g a pf o rb o t ht ea n dt mr a d i a t i o ni nn e a ri n f r a r e da n d v i s i b l el i g h tr a n g e w ei n v e s t i g a t et h ea b s o l u t ep h o t o n i cb a n dg a p ( p b g ) f o r m a t i o nf o r2 d p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c ) c o n s i s t i n go fa i rr o d sd r i l l e di n t oc 6 0 a n d ( c 5 9 n ) 2f i l m s t h e t h e o r e t i c a lr e f l e c t a n c ec o e f f i c i e n t sh a v e b e e n p r e s e n t e d t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t so ft h ef u l l e r e n e sa n df u l l e r r i d e sa r et h e m a j o rr e a s o n st h a tr e s u l ti nt h ed i f f e r e n tp b g s b e c a u s et h ed i e l e c t r i c c o n s t a n t so f t h ef u l l e r r i d e st h i nf i l m sa r ec o n t r o l l a b l e ，t h eb a n d - g a pw i d t ha n d l o c a l i t yc a nb ea l s oc o n t r o l l e dw h e nt h e ya r eu s e da sp h o t o n i cc r y s t a l s i i i a l lo fo u rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s e do nc e r i u s 2o fm o l e c u l a r s i m u l a t i o n t h es t r u c t u r e so fa nu n i d i m e n s i o n a l p o r es y s t e m ( m c m - 41 ， 太原理工火学博士研究生学位论文 s b a 一1 5 ) a n dt h r e e - d i m e n s i o nb c cs t r u c t u r e ( s b a 一1 ，s b a 一1 6 ，s b a 一6 ) w e r e c o n s t r u c t u r e d w eu s e dt h e s em o d e l st os i m u l a t ex r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so f m c m 一41a n ds b a nt y p em a t e r i a l s t h er e s u l t so ft h e s es i m u l a t i o n sa r ec l o s e t ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp a t t e r n s i na d d i t i o n ，v i es i m u l a t ex r a y d i f f r a c t i o np a t t e r n so fd i f f e r e n tp o r ed i a m e t e r sa n ds h a p eo fm c m - 41 t h ec o n c e p ta n da n a l y s i sm e t h o do fp h o t o n i cc r y s t a l sa n db a n dg a p sa r e i n t r o d u c e di n t o1do r d e r e dm e s o p o r o u sm a t e r i a l s m c m 一41t y p em a t e r i a l sa r e t r e a t e d t h e o r e t i c a l l y a s p h o t o n i cc r y s t a l t h e f o r m a t i o no fb a n dg a p si s e x h i b i t e da n dc o n f i r m e db yac a l c u l a t i o no ft r a n s f e rm a t r i xt e c h n i q u e p b g s a r ef o u n da r o u n d5 1 - 1 7 0e v ( 7 2 9 - 2 4 3 n m ) i ns o f tx r a yr e g i o n s i n c eb o t h p o r es i z ea n dl a t t i c e c o n s t a n to ft h e m e s o p o r o u ss i l i c a m a t e r i a l sc a nb e c o n t r o l l e d ，m c m - 4 1m a t e r i a l sm a yb eu s e de f f e c t i v e l ya s2 dp h o t o n i c c r y s t a l si ns o f tx r a yr e g i o n k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s ，f u l l e r e n et h i nf i l m s ，m e s o p o r o u sm o l e c u l a r s i e v e s ，c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n ，t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d 太疆理工夫举 毒士研究生学经谂文 第一章前言 在久类零萼技文鞠豹发震掰程中诲多重夫豹突破都褥蕴予耨物蒺豹发现帮对薪物 质性质的更深层次的认识。二十世纪五十年代开始的以半导体为代表的电子带隙材料 导致了徽穗子革命，菠孩心就在于采溺这释能够操缀电予流动懿电子带豫季季精。我们 所处的时代从某种意义上说魑半导体时代，半岛体的出现带来了从日常生活到高科技 革念经的影桶；半个多毽纪戮来冗乎掰有匏半等薅器箨，都是爨绕魏褥秘媚窝控髑电 子的运动为綦础而展开研究和应用的，说明了电子在其中起到决定作用。随着信息量 爆炸式遗氆长帮器臀熬迸一步小型纯帮高度集成傀，入们遥虱了叛电子技术为核心酌 半导体技术的羁绊。当器件达到纳米尺度时，电予的运动受量子效应的影响十分明恩， 魏时电子与电子之满豹稿互 挈霜不可忽略。王觅安的要求酾菠术熬发展使入们把嚣光投 向光子，提出了用光予作为信息载体代替电子的设想，这是因为光子是以光速运动的 粒予，有若电子掰没有的优势，有着稽输速瘦更茯，穗互之润 乍爝弱等往点。 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ，p c ) 是八十年代末提出的新概念和新材料。这种材 辩有一个嚣藩的特杰，舔它可黻强人掰愿途控潮光子酌遮动，燕光电集藏、光子集戏、 光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新概念材料， 也是为相关学稀发糕和高赣技术突破带来薪税漶的关键性基础材料。蠢予其独将豹特 性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也 鸯灌要的j j 途，如溺光子晶体器件采替代传统的电子器件，信息通讯豹穗度会抉褥无 法想象。操纵光波的流动是人类多年的梦想和追求，全球高新技术领域的科学家与企 业家都期待着新的带隙材料对光波静搽缀。从辩学技术的角度可以预言，全光道讯， 光予计算机将构成未来的光予产业，光子晶体也被科学界和产般界称为“光半导体” 或“未来的半导体”，将对a 装产生不亚于微嘏予革命所带来酌深刻影响。随着光子 晶体制作工艺的逐渐成熟，光予晶体必将迅速成为下一轮信息拨术革命的主导。 1 1 光子黼体简介 1 1 。1 侍幺爨光子晶体 “光子晶体”( p c i 是指靠介电函数呈周期分布来改变光子传播的材料，这怒由 太原理工大学博士研究生学位论文 y a b l o n v i t c h 1 】和j o a n 2 】在1 9 8 7 年各自提出的新概念和新材料，它是根据传统的晶体 概念类比而来的。他们最初的想法是用一种材料来改变在其中传播的光的性质，就像 我们利用半导体材料改变在其中通过的电子的性质一样。众所周知，在传统概念的晶 体材料中，晶格中的格点是周期性排列的，如果在格点填充上原子和分子时，将在空 间形成周期性的电势场。当电子在电势场中运动时，将受到原子的b r a g g 衍射，这将 使电子不能在某一个方向，某一个能量范围移动，这就是电子的一个禁带。当晶格势 场足够强时，这个禁带将展宽到任何方向，使电子不能在其中存在，只能在禁带间跃 迁。例如在半导体中，电子在价带和导带间的跃迁。因此，可认为传统概念上的晶体 材料为电子晶体材料( e l e c t r o n i cc r y s t a lm a t e r i a l s ) 。 仿照电子晶体材料，可以来制备光子晶体材料。在周期性排列的格点位置填充上 宏观的介质材料，这样将在空间形成介电函数呈周期性排列的结构。就如电子在周期 性势场中的散射一样，光子在此结构的界面处( 一般为介质材料和空气的界面) 也产 生散射。就如电子在周期性势场中的散射产生禁带一样，光子在周期性介质场的散射 也应该产生禁带，叫做光子能带( p h o t o n i cb a n d ) ，光子能带之间可能出现带隙，即 光子带隙也叫光子禁带( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) 。频率落在光子禁带中的光子，在 某些方向上是被严格禁止传播的。我们把具有光子带隙的周期性介电结构叫做光子晶 体( p c ) 或光子带隙材料( p h o t o n i cb a n d g a pm a t e r i a l s ) 。这就为制备光子晶体提供了 借鉴和指向。 按照组成光子晶体中的介质排列方式的不同，可将其分为一维、二维和三维光子 晶体，如图1 - 1 所示。一维光子晶体在介质和几何构形上仅具有一维周期性，而在另 外两个方向上是均匀的，那么它将形成一维光子晶体，光子禁带将出现在此周期方向 上( 见图1 - l a ) ，传统的多层膜结构就是一维光子晶体的一个典型实例。相对而言一 维光子晶体在结构上最为简单，易于制备。二维光子晶体是指介质在两个方向上具有 周期性结构而在第三个方向是均匀的，图1 1 b 所示。图中沿着棒的方向材料不发生 变化，而在垂直于棒的平面内，材料呈周期性的变化。二维光子晶体的制作比三维要 相对容易，但它却具有三维光子晶体具有的某些有用特性，这类结构可在器件的平面 内以任意角度阻挡某些波长的光，甚至可在第三维阻挡以某种角度入射的光。在三维 方向上都有周期性变化的结构称为三维光子晶体( 见图l l c ) 。在三维光子晶体中， 2 太原理_ _ l = 人学博士研究生学位论文 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，称为完 全带隙的光子晶体。但三维光子晶体的制作相对较为困难，目前处于微波波段的三维 光子晶体可由机械加工的方法制作，而带隙在红外和可见光波段的需要用刻蚀或别的 方法制作。 ( a )( b )( c ) 图卜1 光子晶体空间结构示意图( a ) 一维光子晶体，( b ) 二雏光子晶体，( c ) 三维光子晶体。 f i g u r e1 - 1a ni l l u s t r a t i o no f s t r u c t u r eo f t h r e et y p e so f ( a ) 1 d ，( b ) 2 da n d ( c ) 3 dp h o t o n i cc r y s t a l s 1 1 2 光子晶体的特征 光子晶体的基本特征之一是具有p b g 。它有完全禁带( c o m p l e t ep h o t o n i cb a n d g a p s ) 与不完全禁带( i n c o m p l e t ep h o t o n i cb a n d g a p s ) 之分。所谓完全禁带，是指光在整个空间 的所有传播方向上都有禁带，且每个方向上的禁带带隙相互重叠；而不完全禁带，是 指相应于空间各个方向上的禁带并不完全重叠，或只在特定的方向上有禁带。禁带的 分布受到构成光子晶体的两种介质的介电函数( 或折射率) 的差、填充比以及晶格结 构的影响。在光子带隙内，不存在任何电磁波传播的模式，这将显著地改变光与物质 相互作用的方式。其中最引人注目的是抑制原子分子的自发辐射，即如果一种原子的 白发辐射频率正好落在光子能隙中，这种原子的自发辐射会被抑制。当原子分子的激 发态能量位于光子带隙内时，它们将不能跃迁回基态。 八十年代以前，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。 p u r c e l l 在1 9 4 6 年提出自发辐射可以人为改变【3 】，但没有受到任何重视，直到2 0 世纪 8 0 年代末，光子晶体概念的提出才改变了这种观点 i 】。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 3 太原理工大学博十研究生学位论文 的电磁波的自发辐射被完全抑制。 可用一个简单的图形来解释光子晶体中物理过程。如图l 一2 所示【4 1 ，右边是光子 色散曲线( 波矢与频率的关系图) ，左边是电子在直接带隙半导体中的色散曲线，两 者公用一频率轴，为了两者的波矢具有可比性，电子的波矢需缩小1 0 0 0 倍，因为电 子的波长比光波长小1 0 0 0 倍。当一个电子和空穴复合时，将在电子能带边产生一个 光子，这就是自发发射现象。若有一个光子禁带正好处在电子禁带内( 图1 ，2 中阴影 部分所示) ，那么电子和空穴产生的光子将无处可去，因此电子和空穴的自发辐射复 合将被抑制。这样就用光子禁带实现了对自发辐射的控制。利用这一基本性质，可以 将其用做高效的光予晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线 5 6 ；利用光子带 隙对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低因自发辐射跃迁而导致的复合几率，设 计制作出无阈值激光器和光子晶体二极管。 金属对光波的吸收很强，特别是在短波长区域，因此对于一般的金属反射镜，损 耗大的缺点很难得到根本解决。此外，出于金属的趋肤效应，即指当高频信号通过导 体时，导体中的信号电流集中于导体表面的现象，这就会使金属反射镜对光波的吸收 只发生在表面极薄的深度内，在强光照射下，金属反射镜表面的温度会上升到很高， 从而造成金属镜反射的表面变形，使其质量严重下降。光子晶体中不允许频率位于光 l。 戚，。 、 h ， ) 。t r o n i c 黝 翕盆盎如2 i h p h ，o t o n 。i c 1 dl 印 厂l。jl ? 0 0 0 丘 _r k c o n i cd i 司，e z s i p h o t a n i cd l s p e z s i o n 图1 - 2 光子禁带实现光抑制示意图，右边是光子色散曲线( 渡矢与频率的关系图) ，左边是电子 在直接带隙半导体中的色散曲线。 f i g u r e1 - 2a n a l o g yb e t w e e ne f f e c t i v en l a s $ a p p r o x i m a t i o nf o rb l o c he l e c t r o nb a n da n d e f f e c t i v ei n d e x a p p r o x i m a t i o nf o rb l o c hp h o t o nb a n d 4 太原理工大学蹲士研究生学位论文 子带骧波沟光予存在，当一束频率处于光子带敷淹魄光子入射列光子晶侮上对，会鼓 全部反射。根据这个源理制作出的反射镜没有上述金属反射镜的诸多缺点，因为光学 介质在几个波长的深鹰内对光波的吸收损耗非常小，所以用光学介质材料所制成的光 子鑫体反麓镶具有投小的损耗。嗣懿狸怼于金糯表嚣由于趋默效应产生夔吸收薄层， 光子晶体反射镜对光波的吸收分布在几个波长艨的较多介殛内，因吸收光丽产成的热 量分布的体积要大得多，所以同样强度的光照下，光子晶体反射镜表面温度升高值要 览金属发瓣嚣翡湿度嚣毒蓬小褥多，反_ 鸯| 镜款装囊不容易损坏。 光予晶体的另一个重要特征魁光子局域【”。当光子晶体中引入杂质或缺陷后，其 周期性结构遭到破坏，从而有可能在光子晶体带隙中引入一个频率极窄的缺陷念，频 率位予姣陵态建酶光予只髓存在予缺陷处，离开铁隆位置，光迅速衰减。妻羹聚引入黪 是点缺陷，则可以做成高品质园子的谐振腔；如果引入线缺隔，则可以做成光波导； 引入的怒平面缺陷，则可以制作出光予晶体平面谐振腔和平颟波导 8 4 。利用缺陷态， 人囊可熬涎心顼欲