（凝聚态物理专业论文）基于多层介质膜的三维光子晶体设计与制备.pdf

摘要 光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过不同结构，以实现控制光传 播的功能。光子晶体可以具有光子禁带、光子局域效应以及负折射率等特性，在 光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域有着广泛的应用前景。因此， 如何制备高质量小尺寸的光子晶体，特别是三维光子晶体的制备，已成为光子学 研究的热点。本文基于多层介质膜，设计并制备了三维光子晶体。 首先，从光传输矩阵理论出发，设计了不同光学厚度的多层介质膜结构，由 于设定其具备对特定波长的增透或高反功能，可以将其视为一维光子晶体。根据 设计模型，利用真空电子束镀膜方法制备一维光子晶体。 采用平面波展开法计算光子晶体能带分布，并采用时域有限差分法计算光子 晶体光场分布。r s o f t 软件所模拟计算的结果表明，通过在多层介质膜结构上打 孔，可实现三维光子晶体的制各；其中圆孔的排列方式、晶格常数、以及所用介 质膜的折射率对光子能带和光场分布有显著的影响。通过对上述各种因素的综合 考虑，设计了三种不同结构的三维光子晶体光刻模版。 通过光刻和刻蚀等半导体工艺，在制备的一维光子晶体上刻蚀出不同结构的 三维光子晶体。通过对不同工艺参数的反复实验，结合金相显微镜、激光共聚焦 扫描仪以及原子力显微镜等实验观察，以了解制备不同工艺对三维光子晶体表面 形貌的影响。 关键词：光子晶体；模拟计算 a b s t r a c t a sn e wa r t i f i c i a lm a t e r i a l st h e p h o t o n i cc r y s t a l s a r em a d eo fp e r i o d i c a r r a n g e m e n to fd i e l e c t r i co rm e t a l l i cs t r u c t u r e s w i t ht h ep r o p e r t i e so fp h o t o n i cb a n d g a p s ，p h o t o n i cl o c a l i z a t i o na n dn e g a t i v er e f r a c t i v i t y , p h o t o n i cc r y s t a l sc a nc o n t r o lt h e p r o p a g a t i o no fl i g h ta n dh a v eap r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s ，s u c ha s o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n ds oo n m u c hw o r kh a sb e e n d o n eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yo np h o t o n i cc r y s t a l s t h er e s e a r c hi nt h i s t h e s i sw a sf o c u s e do nt h ef a b r i c a t i o no f3 一dp h o t o n i cc r y s t a l s f i r s t l y w ed e s i g n e dm u l t i l a y e rd i e l e c t r i cf i l m sw i t hd i f f e r e n to p t i c a lt h i c k n e s s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft r a n s f e rm a t r i xm e t h o d t h em u l t i l a y e rd i e l e c t r i cf i l m sc a n b er e g a r d e da so n e - d i m e n s i o np h o t o n i cc r y s t a l sa st h e yh a v ed i f f e r e n tt r a n s i t i v i t yt o d i f f e r e n t w a v e l e n g t h a c c o r d i n g t ot h e d e s i g n e d m o d e l sw ef a b r i c a t e dt h e o n e - d i m e n s i o np h o t o n i cc r y s t a l sb ya ne - b e a mv a c u u mc o a t i n gs y s t e m a n dt h et e s t r e s u l t sq u i t em a t c ho u rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s s e c o n d l y , t h ep l a n e w a v ee x p a n s i o na n dt h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n m e t h o d sa r eu s e dt oa n a l y z et h ep h o t o n i cc r y s t a lb a n dg a pa n ds i m u l a t ei t so p t i c a l f i e l dd i s t r i b u t i o n ，r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mr s o f t s o f t w a r e ，w ef i n dt h a tt h eh o l e sa r r a n g e m e n t ，l a t t i c ec o n s t a n t ，a n df i l mr e f r a c t i v i t y h a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ep h