（光学专业论文）高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控.pdf

ill ll l l ll 1 l ii i ii y 17 6 8 3 9 0 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性 质的调控 i n v e s t i g a t i o nt h ef a b r i c a t i o no fh i g h - q u a l i t y3 dp h o t o n i c c r y s t a ls t r u c t u r ea n di t sm o d i f i c a t i o nt ot h ee m i s s i o n c h a r a c t e r i c t i c so fm i c r o l n a n o m e t e rr e s o u r c e s 刘正奇 ( 华南师范大学光子信息技术实验室) 学号：200702l 159 院系：信息光电子科技学院 专业：光学 研究方向：微纳米光电材料与器件 导师：兰胜 二零一零年五月 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性 质的调控 摘要 专业：光学 姓名：刘正奇 导师：兰胜 近年来，由于光子晶体微尺度信息传输和光子调控的潜在应用价值，微纳米 发光体的自发辐射调控引起了非常广泛的研究兴趣。本文主要研究高质量三维自 组织胶体光子晶体的制备及其对微纳米光源的自发辐射的调制。 本文主要研究了高质量胶体三维光子晶体异质结的制备，并通过数值理论模 拟计算了异质结所具有的光学特性。然后利用制备的光子晶体，我们对量子点自 发辐射速率的人工调控做了比较详细和深入的研究，并从理论和实验两方面做了 综合的对比和讨论。 本文为作者在硕士期间所做的工作，共分为六章，具体内容安排如下： 第一章：简单介绍光子晶体、光子晶体异质结；以及光子晶体对原子自发辐 射调制的研究现状和我们的工作。 第二章：研究了高质量三维光子晶体及光子晶体异质结的实验制备，并从理 论模拟上验证了实验分析结果。 第三章：讨论了原子自发辐射的理论基础，国内外同行的研究层面，及我们 研究想法的提出。 第四章：研究了光子晶体对自发辐射调制的数值模拟。从数值模拟上预言了 光子晶体表面对原子自发辐射调制的存在。 第五章：开展了光子晶体对自发辐射调制的实验。在固体激光器激光的激发 下，探测了常规的光致荧光光谱以及瞬态的寿命数据。在实验上印证了光子晶体 表面对纳米级发光体自发辐射的调制。此外通过在p c 里掺杂微尺度发光体，对 无序系统自发辐射做了一些研究。 第六章：本论文的总结与研究展望。 关键词：光子晶体， 光子晶体异质结， 自发辐射速率，态密度 ln v e s tig a tio nt h ef a b ric a tio no fhig h q u aiit y3 dp h o t o n ic c r y s t a ls t r u c t u r ea n dit sm o dific a tio nt ot h e0 1 1 1is sio n c h a r a c t e ric tic so fi nic r o n a n o - m e t e rr e s o u r c e s a b s t r a c t m a j o r ：0 p t i e s n a m e ：z h e n g q il i u s u p e r v i s o r ：s h e n gl a n r e c e n t l yt h ei n v e s t i g a t i o no fs p o n t a n e o u se m i s s i o nm o d i f i c a t i o nf o rm i c r o - a n d n a n o m e t e r - s i z e dl i g h ts o u r c e sa r o u s e dg r e a ti n t e r e s t i n ga p p r o a c ht ot h er e s e a r c h b e c a u s eo ft h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o nt ot h ei n f o r m a t i o nc o m m u m c a t i o na n dp h o t o n c o n t r o lb yt h ep h o t o n i cc r y s t a l i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt of a b r i c a t eh i g h - q u a l i t yt h r e e d i m e n s i o n a lc o l l o i d a l p h o t o n i c c r y s t a l a n d u s ei t t o m o d i f y t h e m i c r o n a n o m e t e r - s i z e d l i g h t s o u r c e sf o rt h em i c r o n a n o m e t e rd i m e n s i o nf i l t e r , l o w - t h r e s h o l dl a s e r , u l t r a f a s to p t i c a ls w i t c h i n ga n ds i n g l ep h o t o ns o u r c ea n do t h e r s t h ep a p e rh e r ef o c u s e do nt h ef a b r i c a t i o no fm g h - q u a l i t yt h r e e ed i m e n s i o n a l c o l l o i d a lp h o t o n i cc r y s t a lh e t e r o s t r u c t u r e sa n dt h es t u d yo fo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e h e t e r o s t r u c t u r e sb yu s co ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e nw es h o wt h er e s e a r c ha b o u t t h es p o t a n e o n se m i s s i o nr a t em o d i f i c a t i o no fq u a n t u md o t sw i t ht h ec o m p a r i s o nw i t h t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta n dt h e o r yd e t a i l s a st h em a j o rw o r ko ft h ea u t h o ri nt h es t u d yf o ram a s t e rd e g r e e ，t h i st h e s i si s o r g a n i z e di n t os i xc h a p t e r s ，a sd e s c r i b e db e l o w ： c h a p t e r1 ：a ni n t r o d u c t i o n o ft h e p h o t o n i cc r y s t a l , h e t e r o s t r c t u r e ，a n dt h e v a c t u a l i t yo ft h es p o n t a n e o u se m i s s i o nm o d i f i c a t i o nb yt h ep h o t o n i cc r y s t a la n dt h e w o r kw h a tw eh a v ed o n ei sg i v e n c h a p c r2 ：t h er e s u l t so ff a b r i c a t i o no fh i 。g l lq u a l i t yt h r e ed i m e n s i o n a lp h o t o n i c c r y s t a la n dh e t e r o s t r u c t u r e sw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e di sg i v e n c h a p c r3 ：t h ed i s c u s s i o no ft h eb a c k g r o u do fa t o m i cs p o n t a n e o u se m i s s i o n m o d i f i c a t i o nr e s e a r c ha n dt h et h e o r yi ss h o w nh e r e a n ds o m eb a s i ct h e o r y k n o w l e d g et ot h ea t o m i cs p o t a n e o u se m i s s i o nw i t ht h es i t u a t i o no ft h eo t h e rr e s e a r c h g r o u p sa n dt h ei d e ao fo u rs t u d yi sg i v e n c h a p e r4 ：t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w nh e r e i tp r e d i c t st h e m o d i f i c a t i o no fa t o m i cs p o t a n e o u se m i s s i o nb yu s et h es u r f a c eo f p h o t o n i ec r y s t a l c h a p e r5 ：t h ee x p e r i m e n ta b o u tt h es p o t a n e o u se m i s s i o nm o d i f i c a t i o nu s i n gt h e p h o t o n i cc r y s t a l i s p r e s e n t e d u n d e rt h ee x c i t i o no fs o l i d s t a t el a s e r , w eg e tt h e p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r aa n dt h er e s u l t so fl i f e t i m e a n dw ec o n f i r m e dt h er e a l l y m o d i f i c a t i o nt ot h es p o t a n e o u se m i s s i o na tt h es u r f a c eo fp h o t o n i cc r y s t a lt ot h e n a n o m e t e r - s i z e dl i g h ts o u r c e o t h e r w i s e ，s o m er e s u l t sa b o u tt h em o d i f i c a t i o ni nt h e d i s o r d e rs y s t e mb ym i x t u r es o m em i c r o m e t e rl i g h ts o u r c ea r ea l s os h o w nh e r e c h a p e r6 ：as u m m e r yo f t h i st h e s i sa n dap r o s p e c to f o u rr e s e a r c ha r eg i v e n t h e p o s s i b l er e s e a r c hw o r k si nt h ef u t u r ea r ed i s c u s s e dh e r e k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l , p h o t o n i cc r y s t a lh e t e r o s t r u c t u r e s ，s p o n t a n e o u s e m i s s i o nr a t e ，d e n s i t yo fs t a t e s 目录 摘要i i i 第一章引言。 1 1 光子晶体概述 l 2 1 1 1 光子晶体概念2 1 1 2 光子晶体的分类及性质4 1 2 光子晶体异质结简介 5 1 2 1 光子晶体异质结结构的分类及其特性5 1 2 2 光子晶体异质结的制备工艺。5 1 3 光子晶体对自发辐射调制的研究现状简介7 1 4 我们的工作7 第二章高质量三维光子晶体及光子晶体异质结的实验制备9 2 1 高质量三维光子晶体的制备9 2 2 高质量三维光子晶体异质结的制备1 1 2 3 三维光子晶体异质结结构的数值模拟和特性分析1 5 第三章光子晶体对原子自发辐射调制的理论及我们的研究构想的提 b 1 9 3 1 自发辐射的研究背景1 9 3 2 国内外同行的最新研究情况及我们的工作想法的提出2 0 第四章光子晶体表面原子自发辐射调制的数值模拟理论研究。2 3 4 1 光子晶体的数值研究方法 2 3 4 1 1 平面波展开法 3 2 3 2 3 4 1 2 有限时域有限差分法t 2 3 1 2 3 4 2 基于在平面波展开法和有限时域差分法等技术基础上的模拟2 4 4 3 本章小结 2 7 第五章光子晶体表面对自发辐射的调制实验2 8 5 1 样品的制作。一一2 8 5 2 实验装置及结果分析 5 3 实验特性研究和应用一4 0 5 4 掺杂无序系统对自发辐射的调制研究4 l 5 5 本章小绦4 2 第六章研究展望。 6 1 本文总结 6 2 不足之处和研究展望 4 4 。4 4 参考文献4 6 致谢5 1 已发表和待发表论文5 3 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 第一章引言 在过去的五十多年中，以半导体电子技术为代表的各种电子器件得到了非常 广泛的应用，而这些巨大的成就主要是基于人们可以极为巧妙地控制半导体中的 电子流，通过对不同材料的不同程度的掺杂来实现不同的电子器件的制备。然而， 随着科技的不断进步，以电子为核心的各色电子器件已开始显现不能满足人民需 求的缺陷。促使科学界的各研究者开始找寻新的更加优越的可行理念和新的核心 材料。 在1 9 8 7 年，e y a b b n o v i t e h 和s j 0 h n 分别独立地提出了光子带隙( p h o t o n i c b a n dg a p ) 材料的概念即光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a lp c ) 。光子晶体是由具有不同 折射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。由于光在与其波长相匹配的周期 结构中运动时，受到周期的散射和衍射，于是便产生了在特定光频的禁阻，在该 系统中，某些频段的电磁波强度因相消干涉呈指数衰减，无论横向还是纵向的振 动，都无法在介质中传播，形成电磁波特定频段的能隙。 光子晶体是介质材料的周期性排布，具有特定的光学性质。其中最主要的是 p c 对光( 辐射) 或光子具有可操控的局域作用。因此，我们可以通过利用人为制 备的不同p c 结构来实现对发光的调制，尤其是，制备高质量的三维微纳米尺度 的光子晶体，通过p c 表面态效应，来研究对p c 表面的微纳米量级发光材料的 的发光特性的调制，这将对微纳米发光器件的研究和应用具有非常重要的意义。 由上可知，光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁 止传播的或处于此特定频段的光子自发辐射是受到抑制的。当发光体被放在一个 光子晶体里面时，并且它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于此时在 该环境中该频率光子的态的数目非常少，甚至为零，因此发光体在此频段范围里 的自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。当然，反过来，光子晶体也可以增 强自发辐射，只要相应的增某些特定频率的光子态的数目便可实现，通常可以利 用在光子晶体本身所具有的光子带隙的带边区域的频段，这里由于具有非常高的 光子态密度，所以是可以对相应的频段的自发辐射起到增强效应的。同时也可以 通过在光子晶体中加入杂质，光子禁带频段中可能出现相应的缺陷态或称之为杂 质态，品质因子非常高，具有很大的态密度，对应即在此频段里的光辐射几率大 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 增，这样便可以实现自发辐射的增强。充分利用光子晶体所具有的光子带隙特性， 可以通过人工设计不同结构和参数的光子晶体，从而对带隙实现对各种波长光的 调控包括增强和抑制，从而获得各种各样的新型光学器件。 如上所述，非常富有意义的是，由于光子晶体自身给出了一种材料平台，人 们可以自行设计各种不同的结构和材料的光子晶体单元，这样，人们可以在同一 块光子晶体“芯片 体上实现各种不同的有源和无源器件，并可以将这些集成从 而为一些复杂而实用的器件体系摸索到新的可行之路，如微尺度、超高容量和速 度的量子信息传输和计算等。无疑，这些巨大的潜在功能必然为未来的集成光子 学技术提供了广阔的发展前景。 总之，经过近期迅速的发展，光子晶体实现了许多应用，并出现了不同的更 加优越和先进的结构，如，光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) ， 光子晶体平板微腔，三维木堆积高折射率介质光子晶体、光子晶体异质结 ( p h o t o n i cc r y s t a lh e t e r o s t r u c t u r e ，p c h ) 等。由于光子晶体有着所特有的对 特定频段光或光子自发辐射的调制能力，因此本文中我们通过自身实验来制备高 质量的三维光子晶体，然后通过在光子晶体表面添加微纳米发光材料来系统研究 人工制备的光子晶体对其表面的发光调制。 在本章中，我们将首先介绍光子晶体的一些基本特性及其制备技术，接着将 介绍光子晶体异质结的一些实验研究，然后介绍目前在光子晶体对原子自发辐射 的调制方面的国内外研究现状，最后介绍本文的主要内容。 1 1 光子晶体概述 1 1 1 光子晶体基本概念 在19 8 7 年y a b l o n o v i t c h 1 】和j o h n 2 1 分别独自发现在空间折射率呈周期性分布 的介质，会具有在与周期相当的波长附近对传播方向的电磁波出现一个禁带的光 学特性。根据固体物理中的电子能带理论，我们知道，晶体内的原子是呈周期性 分布的，电子在其中运动时，由于受到了由库伦场叠加而成的周期性势场的散射 作用，从而形成了能带结构，带与带之间有带隙，称之为禁带。借用此种分析手 2 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 段，与此类似，研究者发现电磁波在折射率周期分布的介质中传播时，由于光子 受到调制而形成类似半导体工艺的能带结构，称为光子能带结构，其带隙称之为 光子禁带，能量落在禁带中的光子也是不能传播的，这种具有带隙的周期性介电 结构被称之为光子晶体【3 】。 1 0加 p e r i o d i ci n o n ed i r e c t i o n p e r i o d i ci n t w od h e c t i o n s p e r i o d i ci n t h r e ed i r e c t i o n s 图1 1 一维、二维、三维光子晶体【3 1 。 1 1 2 光子晶体的分类 光子晶体不仅仅存在于自然界，更是能人工制备的，并可以通过人为设定的 参数进行制备和研究。根据组成光子晶体的介质在空间周期性排列的不同维度， 光子晶体可分为一维、二维、三维光子晶体。一维光子晶体是指不同介电常数介 质只在空间的某一个方向上有周期性排列的结构。依次类推，二维、三维光子晶 体是指不同介质只在空间的两个、三个方向上有周期性排列的结构。如图1 1 所 示。材料和周期性排列的不同，其禁带位置及大小也不刚4 ，5 】。 光子晶体的主要性质有光子禁带、光子局域、自发辐射调制、非线性光学效 应、负折射、超棱镜现象、慢光快光效应等。这里针对本文中将着重涉及到光子 晶体异质结以及三维胶体光子晶体表面自发辐射的调制，所以我们主要集中于对 光子晶体的光子禁带、光子局域、调制自发辐射进行简单介绍。 l 、光子禁带 光子晶体的最根本的特性就是具有光子禁带【6 】。禁带是指在光子晶体禁带频 率范围离得的电磁波是被禁止的，或处于此频段的原子的自发辐射也是在理论上 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 是禁止的。光子禁带的出现、位置及频谱宽度等都依赖于光子晶体的结构及介质 之间介电常数的相对差值。一般而言，光子晶体结构对称性越差，介电常数之间 的差值越大，光子晶体就越容易出现带隙并且带隙也越明显。而对于带隙，我们 通常研究的又有完全光子带隙和不完全光子带隙之分。所谓完全光子带隙是全方 位都有带隙即在光子晶体不同的方向上对应的频段范围里的电磁波和自发辐射 都是受到抑制的，显然这种结构的光子晶体将具有更加明显的应用潜力。而不完 全光子带隙是指在某个或某些特定的方向上才出现有带隙，这种情况在研究中比 较常见，尽管只是方向带隙，但同样却也是具有很大的功能潜力的，它可以为特 定需求在特定方向和频段创造出相应的光子带隙从而达到特定区域限制的应用 效果。而现今国际国内的大部分的科研工作者，主要是通过利用操作简单而经济 实惠的自组织方法来利用胶体介质小球来制备各种光子晶体，而此情形下，一般 只具有某特定方向的带隙，如( 1 1 1 ) 方向。 2 、光子局域 在利用光子晶体对光子实行局域时，我们时常采用在完整的光子晶体里引入 点缺i 辂( p o i n td e f e c t ) 7 , s 】或平板光子晶体上引入缺陷腔( c a v i t yd e f e c t ) 【9 1 或直接在三 维光子晶体中引入缺陷层( p l a n a rd e f e c t ) s j o 。通过在光子晶体中引入各种缺陷， 使原有的周期性受到破坏，原光子带隙中就有可能出现频率极窄的缺陷态 ( d e f e c ts t a t e ) 隅】，与缺陷态频率对应的光子可以被局限在缺陷位置，而带隙中其 它频率的光仍然被禁止。这样，就可以达到对光子非常有效的局域调控。 同样，利用光子晶体缺陷态来实现对光子的局域这个想法最早是由j o h n 2 1 于1 9 8 7 年提出的：即在无序介质材料组成的超晶格中，光子呈现很强的a n d e r s o n 局域化【l l 】，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，则和缺陷态频率相吻合的光 子就有可能被局域在缺陷位置。一旦偏离缺陷处，光就会迅速衰减【8 】。 同时在光子晶体表面或表面添加一微纳米尺度的聚合物膜也将具有和缺陷 态一致的结果。我称之为表面态( s u r f a c es t a t e ) s , 1 2 】。同样，在表面态下，光子晶 体对此区域下的自发辐射会有相应的强局域作用，从而导致自发辐射的抑制或增 强效应的出现。而这对制备更完善的微纳米发光器件是具有巨大的影响的。 3 、调控自发辐射 自1 9 8 7 年y a b l o n o v i t c h 【1 】指出光子晶体可以用来抑制自发辐射，光子晶体 对自发辐射的调控的研究就如雨后春笋，不断推进。具体对自发辐射的调制，我 4 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 们需要对原子以及其他辐射体的自发辐射的物理机制有一个了解。自发辐射强弱 与辐射体所处的当地光子态密度非常相关。当原子被放在一个光子晶体里，而它 的自发辐射频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目非常小，甚 至为零，因此自发辐射几率很小，接近为零，原子的自发辐射也就被完全抑制； 反之，只要增加该频率光子态的数目，比如在禁带中引入相应的缺陷态，便可增 强原子的自发辐射。最近研究显示【1 3 1 ，我们同理可以利用光子晶体带隙频段抑制 自发辐射的同时，可以利用带边区域频段里光子态密度很强从而来增强此频域里 的自发辐射，即带边增强效应。 1 2 光子晶体异质结简介 1 2 1 光子晶体异质结的结构及其特性 光子晶体异质结( p h o t o n i cc r y s t a lh e t e r o s t r u c t u r e ，p c i - i ) ，是由不同晶格常数 或不同材料的光子晶体结构组合而成。如，同样的聚苯乙烯小球介质材料，但小 球的大小直径尺寸不同。a 代表大尺寸的小球所组装的光子晶体，b 代表小尺寸 的小球所组装的光子晶体。则a b 结构所代替的就是在光子晶体a 上再制备另一 粒径的光子晶体b 得到的光子晶体异质结a b 。相反。b a 则代表的另一光子晶 体异质结结构。而( a b ) n 则代表的是n 层的a b 结构的重复叠加所得到的光子晶 体异质结结构。 光子晶体异质结同样具有光子晶体的光学特性。不同的是，它具有两个及以 上的单一光子晶体所具有的光学特性的总和。如，a b 结构它具有a 和b 光子 晶体各自的光子带隙，从而导致具有两个可能频段的光子带隙。 1 2 2 光子晶体异质结结构的制备技术 光子晶体的制备技术是研究光子晶体异质结的基础。本研究中，通过采用自 组装的方法，利用恒温控压垂直沉积( p r e s s u r ec o n t r o l l e di s o t h e r m a lh e a t i n gv e r t i c a l d e p o s i t i o n 。r c i h v d ) 1 4 1 ，把同种聚苯乙烯的胶体小球材料，但不同粒径小球组装 光子晶体异质结。通过摸索不同实验参数对实验样品质量的影响，来修正实验操 作，最终得到了很高质量的光子晶体异质结。其中一样品的扫描电镜( s e m ) 如图 1 2 所示。样品由a b 两部分组成，其中a 是有直径为2 6 0 n m 的聚苯乙烯胶体小 5 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 球组成的密堆积的光子晶体，而b 是由3 6 0 n m 的同种材料的小球所组成的光子 晶体。 图1 2 自组织胶体光子晶体异质结a b 型截面s e m 图。 图1 3 自组织胶体光子晶体p c 的s e m 端面图。 6 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 由图1 2 我们可以发现光子晶体异质结的组成结构，并可以分析它所具有的 一些综合的光学特性。而对于光子晶体异质结而言，合适而科学的实验技术和精 准的实验经验将是研究光子晶体异质结的必要条件。涉及到光子晶体及其光子晶 体异质结的制备技术和光学特性分析的内容将在第二章节里具体论述。 1 3 光子晶体对自发辐射调制的研究现状简介 由上的介绍可以得知光子晶体对自发辐射具有很强的调制作用，事实上，光 子晶体的概念最早是从控制自发辐射的角度提出的【l 】。从上面的介绍中我们知 道，光予晶体是一种具有光子能带和能隙的材料周期性排布，频率处于带隙中电 磁波将被禁止，这样在光子晶体中发光体自发辐射的能量就有可能被限制在原子 周围，导致光的局域态【1 5 】。而这种光子局域实际上说明了光子晶体中电磁波传输 的色散关系发生了改变。在光子晶体带隙和带边区域，光子的态密度完全不同于 真空中光子的态密度。显然光子态密度的改变会引起原子自发辐射的增强或减弱 即出现自发辐射的调制。 目前，国内外科学家们已从事了许多关于光子晶体中原子自发辐射的研究： 如d gg e v a u x 等人t 9 j n 用光子晶体平板中的腔缺陷，成功实现对i n a s 量子点 自发辐射随温度变化的增强和抑制的调控。而n g a n e s h 小组【i6 】则在二维光子晶 体平板的表面实现了量子点自发辐射的巨大增强。a b a d o h t o l l 。7 】等人研究了光子 晶体单缺陷共振模中自发辐射寿命的调制。m g u 1 8 】等人研究了三维有方向带隙 的光子晶体对近红外量子点自发辐射的调制。发现了在带隙中的量子点自发辐射 受抑制而在带边量子点自发辐射被增强。 1 4 我们的工作 根据前面所述，以往关于自发发射调制的研究工作大多数都是采用光子带隙 来抑制自发发射。实际上，在光子晶体的带边或高能带，由于色散曲线变得平缓， 往往可以观察到自发发射的增强等效应。严格来讲，自发发射速率的大小不仅仅 与频率有关，而且与光源的空间位置有关，它是i el t t n 域态密度( l d o s ) 【1 9 1 。 例如，在一个微腔中，即便光源的发射波长与腔模共振，如果将其放在腔模的节 7 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 点( 场强极小) 处，则其自发发射速率也是很小的。 同时，直到目前，国际国内学者大多是集中在利用三维光子晶体在其里面通 过渗透或注入微纳米发光材料，或直接在光子晶体结构中心人为破坏来实现缺陷 并添加微纳米发光材料来研究自发辐射的调制。而这些研究也确实得到很好的理 论和实验结果。进一步证实了光子晶体对微纳米发光材料的发光调制的能力。 但对于三维光子晶体表面可能的发光调制的研究则几乎没有涉及到。并且， 在表面的调制比通过在三维光子晶体里面的缺陷或渗透都要更加优越， 其一，表面的调制将使得自发辐射的研究和器件推广更加具有可操作性和现 推广将 调制发 自发发 的自发 能带结 拟才能 验两方 调制的 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 第二章高质量三维光子晶体及光子晶体异质结的制备 2 1 高质量三维光子晶体的制各 自从光子晶体概念的提出起，制各人工三维光子晶体的实验摸索就一直在不 断改进和完善，从开始的在常温大气压下的垂直沉积，水平沉积，到后来的恒温 控压重力沉积；以及利用机器来刻蚀出光子晶体结构。而在如此众多的制备方法 中，自组装的方法是简单易行且所需设备要求不高的一种可大力推广的研究方 法。0 7 年中国科学院物理研究所提出了一更高水平的制备方法，控压恒温自组 装法( p c i h 、厂d ) 【1 4 】。具体实验思路是，通过在一密封的大的容器里放入组装的小 烧杯，里面含有聚苯乙烯胶体小球溶液。再通过外面的真空抽气系统来控制蒸汽 压，同时真空厢里的温度由恒温装置控制，从而可以实现人为可操控的实验条件。 图2 1 自组织光子晶体制备系统示意图。 具体实验流程： 我们采用的是胶体介质球作为光子晶体组装的原材料。其成分是聚苯乙烯 ( p s ) ，尺寸( 直径) 分两种：a - 2 6 0 m n ，b - - 3 6 0 n m ，由美国d u k e 公司提供， 介质折射率为1 5 9 5 8 9 n m 。原液为水剂，p s 球质量分数在1 0 。 前期样品的准备： 1 ，胶体小球溶液的准备。提取原液约o 5 克，存放于已经清洗干净并 用氮气吹干的1 0 m l 玻璃瓶中。同时，取去离子水9 5 克注入提取液 9 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 玻璃瓶中，密封。然后开启超声机，低温超声，时间为3 次各2 0 分 ， 钟，期间停留1 0 分钟。 2 ，医学用载波片数片，先用清水冲洗，并用乙醇和丙酮充分去除污物。 用高压氮气吹干，放入9 9 9 的浓硫酸中，放置7 天。最好，取出 玻璃片，并用较多的去离子水冲洗，同样用乙醇和丙酮清洗，氮气 吹干备用。将硅胶恒温烘干备用。 样品制备： 取用已清洗干净的样品池平放，小心植入玻璃片，再注入数m l 的已经稀释 了的p s 小球溶液。平移放入真空干燥箱。开启真空泵，开始抽气并注意控制压 强。同时，开始厢内温度的操作，调节温度，维持在预定的温度范围。在系统进 入维持稳定阶段时，注意避免外界太大的干扰行为。 通过恒温控压自组装法实现三维光子晶体的制备。示意图如图2 1 ，由于垂 直沉积处于一个恒温和压强受控的条件下，所以在选择合适的温度压强参数后， 可以在短时间里得到质量非常好的p c 。 如图2 2 ，这是由直径为2 6 0 n m 的胶体聚苯乙烯小球通过p c h i v d 方法制备 的，样品厚度层数超过3 5 层，但整体缺非常有序并无一点明显的缺陷存在，样 品具体的光学特性见下( 图2 3 ) 。这表明通过此系统制备的样品具有非常高的质 量。这也为后续的研究奠定了坚实的基础。 一，：。 o 7l 4一t ”，一： ： 一“ qt 、灞 lj i 灞 “； ，t ，； 7 ，j 奎”，。曩。： 灞 糍粥锄砀徽锄漱彬一锯纱彩旗，锄荔缓缪* 绣爹泸瀛砖亥瀚 l o 后烘 样品 更长 2 2 体组 异质 光子 功能 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 同带隙频段的光波实现开关功能【2 0 】。三维高质量光子晶体异质结的制备依赖于单 个高质量三维光子晶体的制备技术。我们这里制备的具有很高质量的三维光子晶 体异质结样品同样是以制备好的三维光子晶体为前提的。具体样品的质量表征通 过光学谱测试，见图2 3 。采用的方法同样是恒温控压垂直沉积自组装方法。 但从实验的角度来看，仍然有许多的技巧和需要注意的地方。对于不同的光 子晶体异质结结构，如a b 和a t b 型( t 代表的是t i 0 2 。a 代表的是由直径2 6 0 r i m 的p s d x 球组装的光子晶体，b 代表的是直径3 6 0 n mp s d 球组装的光子晶体) ，我 们有不同的处理方法，从而得到更加高质量的三维光子晶体异质结。如图2 3 所 示( 透射光谱以无样品时空气的光源透射数值进行归一化，以下皆同) ，对于光 子晶体a 和b ，对应的透射光谱具有非常陡的带边( 最大可以达到1 0 每纳米) ， 深的带隙( 7 0 的深度) 。而从图( b ) 可以发现，a t b 具有比a b 更好的质量， 尤其是在b 部分对应的透射性质上。图中清楚地显示了双深带隙，而且具有很陡 的带边【2 们。 对于a t b 型光子晶体异质结，其对应的双带隙分别有超过3 0 和4 0 的深度， 而且带边陡度也有超过5 n m 。通过在a 与b 光子晶体之间引入t 的缓冲层，我们 ，都比同时 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 矿e l e n g t h 细】) 图2 3 自组织光子晶体透射光谱，c a ) 对应光子晶体a 、b 的透射谱，( b ) 为异质结a b 和 a t b 的光谱。 这两大特点，直接为实验样品的应用奠定了基础。一方面，深的双带隙将 为可能的新型微尺度光学滤波器的应用起到了推动作用。另一方面，陡峭的带边， 意味着样品或器件对折射率或其他因素改变非常敏感，直接将体现在通光率的巨 大改变上，这为我们以后从事非线性光学器件以及光控光开关等的研究打下了基 础。同时也为同行在这领域的研究做出了一定的贡献。 对于a b 型异质结，除了制备单种类型光子晶体技术成熟外，最主要的是要 能确保光子晶体a 在作为基底并在其上组装b 部分时能保持结构的稳定。因为 在我们的实验中，制备a b 型的异质结是在a 光子晶体在没有经过后期处理的， 并且是将a 样品直接插入样品池里，也就是泡在p s 溶液里长达几个小时。所以 此时要注意的是a 样品本身结构的坚固和稳定强度。也就是a 样品本身质量的 要求是很高的。此外，在样品池中注入3 6 0 n m 的p s 小球溶液时需要注意操作轻 巧，动作要缓慢。而在实验中控压的过程尤其需要先快后慢，在实验最开始的半 小时里要通过微调来有效掌握系统的稳定，从而使得整个实验能平稳的进行。 产装。口ois一g们【1邕一 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 学特性进行数值模拟。依照实验结果，选取模拟所需光子晶体a 和b 厚度都为 2 2 层，同时对于a t b 型结构，中间t i 0 2 层的厚度选取为2 0 0 r i m ，折射率取定为 2 5 。考虑到三维f d t d 的模拟所耗内存较大，同时充分考虑模拟与实验事实的 良好匹配，我们选取了较大的模拟区域，x ，y 方向为5 u m ，而在( 1 1 1 ) 方向 即人为设置好的z 方向上则有约9 u m ，对应在各个方向上都有近1 5 个周期的模 拟区域。同时在模拟精度上我们充分利用计算机的内存，格点取为0 0 5 u m 。模 拟的具体截图如图2 6 所示。同时，通过平行光束光源的设置和透射探测器的设 定，采用4 x 4 u r n2 的x y 面的模拟平行光束入射窗口，同样在z 方向采用同尺 寸大小的功率探测器对透射光束进行接收。我们分别对光子晶体异质结a b 和 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 w a v e l e n e t hf ，n m 、i w a v e l e n f , t hf ，n m 、l 图2 7 光子晶体异质结a t b 型和a b 型对应f d t d 模拟结果和实验数据对比图。 对比可以发现a t b 所具有的高质量实际体现在三个方面的因素幽】，其一， 光予晶体样品a 的高有序；其二，作为起到缓冲层，减弱或消除样品a 与样品 b 之间晶格常数的相当大的差异，达到匹配；其三，在其上制备光子晶体样品b 时得到高有序度。具体a t b 的光学特性我们可以从图2 8 中通过s e m 图和透射 光谱图对比发现。 1 7 一暴一uo_的hiii的磊扫君骞矗茗 、，v 、 - _ 0 0 0 o o 产摹-口。一一g品扫屯。葛一juiis c!卜一口oh_ii们岛霄扫口o-j霄di乏产摹。口ois一iii们品扫勺ojn霄d茎 0 0 0 0 5 4 3 2 一支一口o【沈们【g磊扫口。苗lng【以 ，、c、 c 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 高质量三维光子晶体结构的制备及其对微纳米光源发光性质的调控 第三章光子晶体对原子自发辐射调制的理论及我们的研究 构想的提出 3 1 自发辐射的研究背景 自发辐射涉及的一个非常重要的物理过程就是跃迁的过程。这里我们简单了 解下跃迁对应存在的两种形式，它们分别对应两种不同的辐射形式。自发跃迁是 指在没有外界干预的情况下，处于激发态的原子、分子或离子等微观粒子的高能 带会自发地向具有较低的能量状态跃迁。自发跃迁存在两种可能的形式，分别为 无辐射跃迁和辐射跃迁。在自发跃迁过程中，微观粒子所释放出的能量等于两个 量子状态能量的差值，如果这部分能量差值转化为体系的热运动，并不发射光子 称为无辐射跃迁；反之，如果能量以光子的形式发射出来，则称为自发辐射【8 】。 随着对辐射物理机制的不断剖析和掌握，各种可以控制光子的环境( 如：各 种高品质的微腔，光子晶体平板以及三维光子晶体材料，以及介质界面等) 【8 】 的制备日趋成熟，国内外研究者开始研究关注在低微度量子体系中实现对自发辐 射的人工调控。现在人们摸索并发现改变原子的自发辐射主要有两种方式。 第一种调控形式是通过改变原子所处的环境来控制自发辐射。最早是 p u r c e l l 2 5 】在1 9 4 6 年指出，将原子放置在微腔中能改变原子的自发辐射率。这一 发现引起了人们的广泛兴趣，并导致了腔量子电动力学的产生。此后，1 9 8 7 年 y | a b n o l o v i t c h 【l 】在讨论如何抑制自发辐射时提出可以制备一种具备光子带隙的材 料，称为光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 。几乎同时，j o h n 在讨论光子局域性时也 独立的提出了这一概念【2 1 。这些都是利用光子晶体本身周期性电介质排列而成的 结构来调控自发辐射。 另一种则是利用多能级原子中不同的跃迁路径之间的量子干涉来控制原 子的自发辐射。我们知道原子跃迁几率与初末量子态之间的偶极矩阵元平方成正 比，当原子由两个或多个激发能级跃迁到同一个共同的低态时，不同的跃迁通道 之间的量子干涉会对跃迁产生影响 2