光子晶体的制备与应用研究＊
李会玲① 王京霞② 宋延林③
①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190
＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101)
关键词 光子晶体 胶体晶体 自组装 光学器件
光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。
1光子晶体简介
1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。
2光子晶体制备
自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。
2.1微加工方法
微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。
2.2全息光刻
全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12],
·
153
·
自然杂志 31卷3期科技进展
表明全息光刻技术有可能成为三维光子晶体制备的有效方法。
2.3胶体晶体自组装方法
单分散胶体粒子的稀溶液在弱的离子强度情况下,颗粒在静电作用及范德华力作用下可以自发排列形成面心立方和体心立方等有序结构,称之为胶体晶体。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米量级,目前已成为制备近红外及可见光波段三维光子晶体的有效途径。人们已经发展了很多方法来组装高质量的胶体晶体,目前主要有重力场沉积法、物理强制沉降法、竖直沉积法、电场作用下的自组装等方法。
笔者所在课题组在聚合物胶体晶体的制备方面开展了一系列工作。针对普通聚合物光子晶体存在的制备过程需要分离,膜强度低的缺陷,通过利用聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)三嵌段共聚物一步聚合实现单分散核-壳乳胶粒的简单制备[13],成膜简便,膜的机械强度得到显著改善,满足了应用要求(图1)。利用这种具有特殊核-壳结构的乳胶粒组装的胶体晶体作为模板,制备了具有闭孔结构、高强度的聚酰亚胺反蛋白石结构光子晶体[14]。通过聚合物结构设计和组装条件的控制,得到表面浸润性可控的聚合物光子晶体[13,15] (图2),使之可以适用于不同基材表面的光子晶体制备
。
图1 (a)不同粒径乳胶球制备得到的光子晶体照片,
图中数字分别代表乳胶球的平均粒径,单位:
nm;(b)所制备的单分散核-壳结构乳胶球的
透射电镜照片;(c)光子晶体扫描电镜照片,图
中标尺尺度:1μ
m
图2 (a,b)组装条件pH分别为6.0和12时,水滴在光
子晶体膜表面的浸润性;(c,d)对应不同组装条件
下乳胶球的结构示意图。圆圈内显示为形成的氢
键示意图,表明不同组装条件下,由于形成氢键的
变化导致光子晶体表面浸润性由超疏水(a)变为
超亲水(b)
2.4双光子聚合方法
多光子聚合(multi-photon polymerization,MPP)
是制备三维光子晶体有效的方法。Strickler和Webb最
早提出MPP方法[16],简单来说,MPP利用多光子激发
过程的非线性本质,只激发在焦点周围很小的体积范围
里的分子,此体积为光学可分辨尺度。这些被激发的分
子诱导局域聚合反应,从而形成三维聚合物结构。目前
经常使用的是双光子技术,所以MPP通常指双光子聚
合(two-photon polymerization,TPP)。
双光子聚合已用于制备一系列高分辨率的三维结
构,包括微管、微悬臂、光子晶体[17]等。TPP不仅可以制
备光子晶体,也可以将任意复杂形状的缺陷引入到光子
晶体中,是很有希望用于三维光子晶体制备的技术。目
前,TPP已经可以制备光子禁带在红外区域,具有层层
结构及斜孔[18]结构的光子晶体。除了聚合物外,高折光
指数的硫族玻璃例如As2S3在光照射下会发生溶解性变
化,因此也可以用于双光子聚合[19]。
2.5直写方法
直写方法是将计算机辅助设计的三维图案转化为
目标结构。由于要求的尺寸是在微米级别,传统的制备
技术,如快速复型等不再适用,因而需要新的技术。目
前最有希望的技术就是机器人墨水直写方法[20]。该方
法通过直接用“笔”组装聚电解质墨水来制备微米尺度
的三维周期性聚合物结构,所用的聚电解质墨水是从微·
154
·
Chinese J ournal o f N ature Vo l.31No.3 Prog ress
米孔中挤压出[21]。如果墨水的流变性设计合理,聚合物成型能够保持柱状结构。通过这种方法,可以得到层层堆垛结构。
2.6特殊制备方法
(1)微操作
微操作是利用“纳米机器人(nanorobot)”制备三维结构的一种方法。所谓的“纳米机器人”是利用光学钳或者连接电子显微镜或光学显微镜上的机械手精确操纵组成单元。如果光子晶体的光子禁带在可见或红外区,则组装单元尺寸是亚微米尺寸。
利用纳米机器人,López等首次用乳胶微粒制备了金刚石结构[22],还可以利用此纳米机器人制备出具有完全禁带的堆垛结构。尽管纳米机器人技术具有操作可控、可自动成像等优点,但是其复杂的制备方法决定其应用范围局限于制备科学研究用的微型结构样品。
(2)聚合物微相分离
Thomas等[23]采用嵌段共聚物,通过不同组分微相分离得到有序结构,实现一维、二维或三维光子晶体的制备。如采用嵌段共聚物聚(苯乙烯-b-异戊二烯)两个嵌段组分之间的分离,得到聚苯乙烯的三维体心立方结构、二维柱形的六角排列、三维有序的双连续双钻石结构等。该方法可以通过调整不同微区的介电常数差进一步调整光学性能,如掺杂高折光指数的纳米粒子到相应的微区,为制备具有特殊结构和性能的聚合物组装光子晶体提供了新途径。
(3)喷墨打印方法
Fan等[24]提出利用喷墨打印的技术制备有序多级纳米结构,而Moon等[25]利用可自组装的单分散二氧化硅胶体乳液为墨水,采用喷墨打印的方式制备出均匀尺寸的墨滴,每个墨滴的微观结构是胶体颗粒的三维有序堆积结构。所采用的打印头为特制的压电喷嘴,并以脉冲的方式控制喷墨。作者所在课题组则对乳胶溶液、基底等进行改进,可以直接用普通喷墨打印机使用乳胶液打印制备光子晶体实现图案化,为大面积、快速制备光子晶体提供了新的途径。
(4)喷涂方法
通过单分散、硬核-软壳乳胶颗粒的制备,笔者所在课题组发展了一种快速喷涂制备光子晶体的方法。这种方法利用乳胶颗粒表面基团的氢键作用,促进乳胶颗粒在喷涂过程的自组装,可以快速制备大面积的光子晶体[26],这种快速大面积制备方法对光子晶体实际应用有着重要的意义(图3)
。
图3 喷涂方法制备光子晶体,插图为乳
胶颗粒表面基团的氢键作用示意图
3光子晶体的应用研究
光子晶体有着广阔的应用前景。其原理是基于光子晶体本身的重要特性即光子禁带和光子局域。光子禁带可以控制光在其中的传播,而且缺陷态的引入可以影响光子禁带的性质,因而光子晶体是光电集成、光通信等领域重要光学器件的关键性材料。
3.1光子晶体在检测及传感方面的应用研究
光子晶体传感器的基本原理是利用光子晶体的光子禁带随温度、湿度、pH、应力等外界环境因素变化而发生变化的特性,建立光子禁带变化与外部环境变量之间的关系,通过检测光子晶体禁带变化来监测环境的变化。近年来,化学及生物传感器技术发展的一个重要方向是快速简捷的裸眼检测,而光子晶体由于其独特的结构和光学性能,为化学和生物传感器快速检测提供了新的可能。
笔者课题组制备了一系列对外界环境变化响应的光子晶体传感器。如利用湿度响应的聚丙烯酰胺制备光子晶体,可以通过颜色变化简便地测定环境湿度[27] (图4,见彩插二)。利用亲油的酚醛及碳材料制备的光子晶体,可以方便地检测石油品质以及监控石油泄漏[28] (图5,见彩插二)。采用聚吡咯制备光子晶体,实现光子晶体的光学、电学性质及浸润性多重调控和响应[29](图6,见彩插二)。
与临床相关的生化物质的高灵敏检测是传感器技术的研究热点。Asher[30]及其同事进行了大量的研究,制备了可检测血液和尿液中肌氨酸酐浓度或葡萄糖含量的光子晶体传感器。笔者所在课题组结合荧光共振能量转移(F RET)技术,提出了一种新的高灵敏度的DNA检测方法。将光子晶体引入到基于荧光共振能量转移的DNA检测体系中,利用光子晶体禁带有效抑制了给体能量的损失,控制了给体能量的衰减方式,将给体光有效地局域化,大大提高了能量传递的效率,使检测灵敏度得到了数百倍的提高,检测限达到13.5fM。
·
155
·
自然杂志 31卷3期科技进展
并且利用光子晶体参与的DNA检测体系,实现了常温下DNA单个碱基对不匹配的识别。这一研究结果为发展基于光子晶体的高灵敏生物检测芯片提供了新的思路(图7,见彩插二)[31],被Nature China和美国化学会(ACS)网站等选为研究亮点报道。
3.2光子晶体在染料敏化太阳能电池的应用
近年来,科学家已开始将光子晶体结构引入到染料敏化太阳能电池中并进行相关研究。Mallouk[32]等最先制备了TiO2反蛋白石结构光子晶体与纳米TiO2粒子复合的多层结构,利用光子晶体的光局域效应显著提高了TiO2电极的光捕获效率。Míguez[33]课题组进行了一系列理论和实验研究证实光子晶体对于染料敏化太阳能电池光捕获效率的提高。Huisman[34]课题组则将TiO2光阳极做成光子晶体反蛋白石结构。但以上工作很难大面积制作,而且光子晶体缺陷对电池效率的影响还有待进一步研究。
我们针对目前太阳能电池染料昂贵、寿命短等缺陷,制备了光子晶体聚光器,利用光子晶体提供选择性反射光,大大提高了染料敏化电池的输出功,并过滤掉能导致染料降解的有害紫外和红外光,有效减少聚焦所产生的热效应及对染料的破坏[35](图8,见彩插二)。
3.3光子晶体用于增强LED发光及荧光发光
在蓝光LED加荧光粉产生白光LED的专利技术之外,人们研究了利用紫外光(UV)LED实现白光LED的技术。但是,UV LED存在光外漏及低亮度两个主要缺陷,因此不得不寻求新的解决方案。日本松下电器首次将二维光子晶体运用到蓝色LED发光层上,成功实现LED发光效率提高1.5倍。该技术目前正在研究和完善中,很有希望被应用于固体白光照明。
近年来,高效发光器件的研究受到广泛关注。其中,直接增强发光材料的发光强度则是最有效的手段之一。目前文献中报道的增强固态荧光的方法主要有:金属增强荧光(metal-enhanced fluorescence,MEF)效应、荧光共振能量转移(fluorescence re s onance energy transfer,FRET)和光诱导荧光增强(photoinduced fluorescence enhancement,PFE)、金属纳米粒子的表面等离子共振(surface plasmon resonance,SPR)等方法。但总体上看,这些方法过程复杂、荧光提高有限,离实际的器件应用有不小的距离。
光子晶体的出现为增强荧光发光提供了新的思路。有关光子晶体在光致发光方面的研究也有文献报道。Ye[36]等人制备了含有掺杂2-氨基嘌呤的聚乙烯醇层缺陷的一维光子晶体结构,他们发现来自光子晶体结构内的2-氨基嘌呤的双光子荧光发射强度与无光子晶体结构的样品相比增强了120倍,这是由于光子晶体内的缺陷层对光子的局域限制产生了高的区域性光强。
我们[37]利用光子晶体作为布拉格反射镜面,实现了有机荧光染料发光数十倍的增强(图9)。由于光子晶体只对频率在光子禁带范围内的光具有反射作用,因而具有高度选择性,这为发展新型高效光电器件提供了新的思路。如果在光子晶体孔隙中填充功能染料分子,通过外界条件刺激可以实现光子禁带的调控以及荧光开关。这在新型信息存储材料和器件、化学传感器的设计、制备等方面都有着潜在的应用
。
图9 有机荧光染料罗丹明B(20nm)沉积在不同
基底上的荧光光谱。图中,PCs:光子晶体,
Al film:铝膜,Glass:玻璃。插图部分为铝膜
和玻璃上罗丹明B荧光光谱的放大图
3.4光子晶体用于增强辐射能量传递
辐射能量传递是介质的发射与吸收过程,但通常辐射能量传递效率较低并且方向不可控。2004年英国埃克塞特大学Barnes和Andrew[38]提出了利用纳米银薄膜为介质控制分子间辐射能量定向传递,给体和受体的传输距离可以达到120nm。金属薄膜虽然可以有效地控制给体将能量传递给受体,但其对光的反射不具有方向性,并且金属对光的吸收和平面光波导都将导致给体能量的损失,阻碍给体能量通过金属薄膜向受体的传播。我们通过引入了光子晶体来控制给体发光的方向性(图10,见彩插二),利用金属薄膜结构增强其表面等离子耦合的能力和对光的传导性,将能量传递的效率提高了一个数量级[39]。
4展 望
光子晶体对光的特殊调控性能受到越来越多科学
·
156·Chinese J ournal o f N ature Vo l.31No.3
Prog ress
工作者的关注,并已经将这一性能应用到催化、光传导、荧光增强、高灵敏检测等不同的领域。真正限制光子晶体应用的关键是光子晶体的制备,尤其是涉及大面积、高质量、无缺陷、低成本的光子晶体的制备,以及全带隙光子晶体的制备。只有在满足高质量、全带隙制备的前提下,所有光子晶体的应用才能真正得以发挥。随着全球范围内科学家的研究不断走向深入,相信光子晶体材料将在人类未来的经济社会发展中发挥越来越重要的作用。
(2009年4月13日收到)
[1]YABLONOVI TCH E.In hibited sp ontan eous emission in s ol-
id-s tate p hysics and electronics[J].Phys Rev Lett,1987,58: 2059-2062.
[2]JOHN S.Strong localization of ph otons in certain dis ordered
dielectr ic s uperlattices[J].Phys Rev Lett,1987,58:2486-2489.
[3]CHEN J I L,FREYMANN G,CH OI S Y,et al.Amplified
ph otoch em i s tr y with slow photons[J].Adv Mater,2006,18: 1915-1919.
[4]KOSAKA H,KAWASHIMA T,TOMI TA A,et al.Self-col-
lim atin g ph enomena in pho ton ic crys tals[J].Ap pl Ph ys Lett,
1999,74:1212-1214.
[5]NOTOMI M.Th eor y of ligh t propagation in stron gly m odula-
ted ph otonic crys tals:Refr actionlike behavior in th e vicinity
of the p hotonic band gap[J].Ph ys Rev B,2000,62:10696-10705.
[6]VUK USI C P,SAMBLES J R,LAWRENCE C R,et al.Struc-
tural colour—now you see it now y ou don't[J].Nature,
2001,410:36.
[7]Y ABLONOVI TCH E,GMI TTER T J,LEUNG K M.Ph o-
tonic ban d structur e:th e face-centered-cubic cas e employing
nons pherical atoms[J].Phys Rev Lett,1991,67:2295-2298.
[8]HO K M,CHAN C T,SOUKOU LIS C M,et al.Photonic
band gaps in thr ee dimens ions:n ew layer-by-layer p er iodic
structures[J].Solid State Comm un,1994,89:413-416. [9]NODA S,TOMODA K,YAMAMOTO N,et al.Full th ree-
dimens ional ph oton ic band gap crystals at n ear-infr ar ed wave-
lengths[J].Science,2000,289:604-606.
[10]BERGER V,GAUTHIER-Lafaye O,COSTARD E.Ph otonic
band gaps and holography[J].J Appl Phys,1997,82:60-64. [11]CAMPBE LL M,SHARP D N,HARRISON M T,et al.Fab-
rication of p hotonic crystals for the visible spectr um by holo-
graphic litho gr ap hy[J].Nature,2000,404:53-56.
[12]GRATSON G M,GARCIA-SAN TAM ARIA F,LO USSE V,
et al.Direct-write ass em bly of th ree-dim ensional p hotonic
crys tals:con vers ion of polym er s caffolds to s ilicon hollow-woodpile structur es[J].Adv M ater,2006,18:461-465. [13]WANG J X,WEN Y Q,HU J P,et al.Fine con tr ol of the
wettability transition tem per ature o f colloid al-crystal films: fro m s uperhydr ophilic to sup erh ydrop hobic[J].Adv Fun ct
Mater,2007,17:219-225,I nside cover.
[14]CHEN X,WANG L H,WEN Y Q,et al.Fabrication of
closed-cell polyim ide in verse op al ph oton ic cr ys tals with excel-
lent mech an ical prop er ties and th er mal stability[J].J M ater
Ch em,2008,18:2262-2267.[15]WANG J X,H U J P,WEN Y Q,et al.Hydro gen-bond ing-
driven wettability change of colloidal crystal films:from s upe-
rhydr ophobicity to superhyd rophilicity[J].Ch em Mater,
2006,18:4984-4986.
[16]STRICK LER J H,WEBB W W.2-photon excitation in las er
s cann ing fluores cence microscopy[J].Pr oc SPIE-Int Soc Opt
Eng,1990,1398:107-118.
[17]SUN H B,MATSUO S,MISAWA H.Three-dimension al
ph oton ic crystal structures achieved with two-pho ton-absorp-
tion photopolymerization o f resin[J].Appl Ph ys Lett,1999,
74:786-788.
[18]TOADER O,BERCIU M,JOH N S.Ph oton ic b an d gaps
bas ed on tetragonal lattices of slan ted por es[J].Phys Rev
Lett,2003,90:233901.
[19]WONG S,DE UBEL M,P RE Z-WI LLARD F,et al.Dir ect
las er writin g of thr ee-dim ensional photonic crystals with a
co mplete ph oton ic band gap in chalcogen ide glasses[J].Ad v
Mater,2006,18:265-269.
[20]GRATSON G M,X U M J,LEWIS J A,Direct writing o f
th ree-dimens ional webs[J].Nature,2004,428:386-386. [21]SMAY J E,CESARANO J,LEWIS J A.Colloid al inks for di-
rected as s embly of3-D p er iodic structur es[J].Langmuir,
2002,18:5429-5437.
[22]GA RCI A-SANTAMARIA F,MI YAZAKI H T,URQUI A A,
et al.Nanorob otic manipulation of microsph er es f or on-chip
diamon d architectr ues[J].Adv Mater,2002,14:1144-1147.
[23]FI NK Y,WI NN J N,FAN S,et al.A dielectric omnidirec-
tional reflector[J].Scien ce,1998,282:1679-1682.
[24]FAN H Y,LU Y F,STUMP A,et al.Rapid prototypin g of pat-
terned functional nanos tructures[J].Nature,2000,405:56-60.
[25]KO H Y,PARK J,SH IN H,MOON J.Rap id self-assembly
of monod i s pers e colloidal sp heres in an ink-jet pr inted dr oplet
[J].Chem Mater,2004,16:4212-4215.
[26]CUI L Y,ZH ANG Y Z,WANG J X,et al.Ultra-fast fabri-
cation of colloidal ph oton ic cr ys tals by s pray coatin g[J].Mac-
romol Rapid Commun,2008,30:598-603.
[27]TIAN E T,WANG J X,Z HENG Y M,et al.Color ful hu-
midity s ens itive ph otonic crystal h ydrogel[J].J Mater Ch em,
2008,18:1116-1122,Cover.
[28]LI H L,WANG J X,YANG L M,et al.Superoleoph ilic and
s uperhydr ophobic inv erse opal s for oil s ens ors[J].Adv Funct
Mater,2008,18:3258-3264.
[29]XU L,W ANG J X,SONG Y L,et al.Electrically tunable poly-
pyrrole inverse opals with switchable stopband,sonductivity,and
wettability[J].Ch em Mater,2008,20:3554-3556.
[30]HOLTZ J H,HOLTZ J S W,M UN RO C H,et al.I ntelligent
polym er ized crystallin e colloidal arr ays:Novel ch em ical s en-
s or m aterials[J].Anal Ch em,1998,70:780-791.
[31]LI M Z,H E F,LIAO Q,et al.Ultr asensitiv e DNA d etection
us ing pho tonic cr ys tals[J].Angew Ch em In t Ed,2008,47: 7258-7262.
[32]NISHIM URA S,ABRAMS N,LEWIS B A,et al.Standin g
wave en hancem en t of red absorbance and ph otocurr en t in dye-
s ens itized titan ium dioxid e photoelectrodes coupled to pho ton-
ic crys tals[J].J Am Ch em Soc,2003,125:6306-6310. [33]MIHI A,M GUE Z H.Origin of ligh t-h arv esting en hance-
ment in colloidal-pho tonic-crys tal-based dye-sens itized solar
cells[J].J Phys Chem B,2005,109:15968-15976.
(下转第186页)
·
157
·
自然杂志 31卷3期科技进展
先生就是根据这十条黄土大剖面的资料,在前人研究的基础上对我国黄土进行了重新划分,并支持和发展了李希霍芬所提出的中国黄土成因的“风成说”。1958年以后直到“文化大革命”结束,近十多年间地质工作一切以找矿为中心,许多普查填图的地质队都取消或削减了第四纪填图的内容,第四纪研究在全国进入了低谷期,唯中国科学院地质研究所等少数单位还保留了第四纪研究室。刘先生就带领着这些有限的同行,在困难中继续坚持潜心地研究着黄土。这期间20世纪60～80年代,刘东生和施雅风先生领导科学院多学科综合考察队分别对希夏邦马峰(1964)、珠穆朗玛峰(1966～1968)、南迦巴瓦峰(1984～1985)进行了多学科的综合考察,开始涉足青藏高原隆升与环境变化的研究,并把黄土研究作为高原隆升研究的一项重要内容。黄土实际上就是沙尘暴中的粉尘,它如何能够和青藏高原隆升与全球气候变化联系起来呢?这里还有一段故事:20世纪80年代初,刘东生先生和他的助手在瑞士苏黎世系统测试了黄土剖面的古地磁年龄与磁化率曲线,当时并没认识到它的意义。不久他去英国剑桥参加I CS U会议,与会的欧美学者大量展示了孟加拉湾海扇深海沉积、南极与北极冰芯的古
地磁年龄与磁化率曲线,用以说明青藏
高原隆升对第四纪以来全球气候变化
的影响。刘先生说“我边听边感到似曾
相识,好像在哪里见过这些曲线”,等到
回国后把在苏黎世测试的古地磁年龄
与磁化率曲线与国外资料全面对比,才
恍然大悟,发现我国黄土剖面所测试的
古地磁年龄与磁化率曲线比国外学者
所测试的南、北极冰芯与深海沉积的古
地磁年龄与磁化率曲线能更加全面、更
加系统地反映青藏高原隆升对第四纪
以来全球气候环境变化的影响。刘东
生先生用这段故事告诉我,科学是需要
实践认识的积累,地球科学每一个重大
的科学发现都是在成年累月的科学实
践积累、思考的基础上通过多学科碰撞
和启发而产生的。正是刘先生的顿悟
为我国黄土研究打开了一片新的天地,
也使刘东生院士和他科学团队的学术
成果享誉世界,并且使黄土与深海沉
积、极地冰芯并列成为全球环境变化研
究的三大支柱。国际地质对比计划主
席E.Der byshire教授在评价刘东生
院士的成果时说:“他令人信服地证实
了中国黄土完整地记录了250万年以
来全球古气候变化的历史,使中国成为
古气候变化记录的最重要的档案库。”
以致刘东生院士被国际地学界誉为“黄
土之父”,2002年获得了相当于诺贝尔
奖金的泰勒环境科学成就奖,并获得
2003年度国家最高科学技术奖。
刘东生先生的科学成就得益于他
20世纪50年代在极其艰苦的条件下
所测制出的十条黄土大剖面,同时与他
和他的科学团队近半个多世纪以来锲
而不舍的努力是分不开的。刘东生先
生不仅治学严谨,在爱护、鼓励晚辈和
年轻学者学术成长方面也有卓越的贡
献。近20多年里,刘东生先生培养出
了安芷生、朱日祥、刘嘉麒、丁仲礼四位
院士和郭正堂、孙继敏、肖举乐、杨小平
等10多名在国际上很有影响力的优秀
人才。刘东生院士走了,但他亲自培育
成长的科研创新团队还在,刘东生先生
的科学事业是永存的,他的卓越人格和
贡献将永远铭刻在我们的心里。
(2009年3月16日收到)
Father of Loess:Liu Tu ng-shen g
GE Xia o-hong
Pr ofessor,College of Geosciences,Jilin U-
niversity,Changchu n130061,China
Ke y wo rds Fath er of Loess,Liu Tung-
sheng,geology
(责任编辑:温文)
(上接第157页)
[34]HUISMAN C L,SCHOONM AN J,GOOSSE NS A.Sol[J].
Energy M ater Sol Cell s,2005,85:115-124.
[35]Z HANG Y Z,WANG J X,ZH AO Y,et al.Pho tonic crys tal
con centrator for efficient output of dye-sens itized s olar cells
[J].J Mater Chem,2008,18:2650-2652.
[36]YE J Y,ISHIKAWA M,YAMANE Y,et al.Enh an cemen t
of two-ph oton excited fluorescen ce usin g on e-dim ensional
pho tonic cr ys tals[J].Appl Phys Lett,1999,75:3605-3607.
[37]Z HANG Y Q,WANG J X,JI Z Y,et al.Solid-s tate fluores-
cence enhancement of organic dyes b y ph oton ic crys tals[J].J
Mater Ch em,2007,17:90-94.
[38]ANDREW P,BARNES W L.En er gy transfer across a m etal
film mediated by sur face plasm on polar itons[J].Science,
2004,306:1002-1005.
[39]LI M Z,LIAO Q,ZH ANG J P,et al.Energy transfer boos-
ted by p hotonic crys tals with m etal film patterns[J].Ap pl
Ph ys Lett,2007,91:203516.Pre paration and Ap plication s of Photon ic Crystals LI Hui-ling①,W ANG Jing-xia②,SONG Yan-lin③
①Assistan t Pro fessor,②Associa te Professor,③Professor,I nstitu-te of Chemis try,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190, China
A bstract Ph oton ic crys tals(PC)have been considered as impor-tan t materials for th e futur e optical industry d ue to th eir periodic structures and p roperties of ligh t pr opagation m odulation.As th eir pr omisin g applications in op tical d evices,optical commun ication and op tical comp uting,the fabrication and th e optical pro per ties o f PCs have arosed gr eat attention in recen t years.Th e curr en t major ach ievem en ts on preparation an d applications in th is field were pr esented.
Ke y w ords p hotonic crystal,colloid al crys tal,s elf-assembly,s en-s or
(责任编辑:方守狮)
·
186·Chinese J ournal o f N ature Vo l.31No.3
Portraits
光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。 另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。 简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
光子晶体的制备 1987年，物理学家Eli Yablonovitch预测，光子带隙晶体（PBC）能够像现有的微电路处理电信号一样处理光信号。研究人员一直在寻找此类材料，并设法批量生长。在这项工作中，生长出的蛋白石状晶体具有PBC所需的独特结构：透明颗粒以类似于金刚石中碳原子的方式排列。 PBC的菱形晶格中粒子须按一定的方式排列。每个粒子连接四个等间距的近邻粒子，当两个这样的粒子聚在一起时，调整粒子的方向，使这两个粒子结合的六个粒子处于正确的相对方向。这项工作合成了微观的塑料块体，每个块体由四个球组成呈现出三角形金字塔的形状，每个棱锥面的中心有一个凹陷的粘性贴片。当悬浮在水滴中时，通过粘性贴片对接在一起的颗粒，粒子将调整到合适的角度，然后自发地形成具有金刚石结构的高度有序的稳定晶体。最终制备出的晶体仅包含100000个颗粒且重量不到1微克，但增大尺寸的过程并不复杂。大型三维光子晶体的制备需要用纯硅或二氧化钛填充这些晶体中的空隙，最后溶解这些晶体模板。 具体的制备过程为： 第一步，固体非交联聚苯乙烯颗粒与3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（TPM）的较小液滴混合，四个固体颗粒与一个液滴结合，形成四面体团簇；
第二步，在悬浮液中添加增塑剂（这里采用四氢呋喃）控制聚苯乙烯的变形，球体的变形挤压了团簇的液核，使核心从构成团簇的三个聚苯乙烯粒子之间的空隙中凸出，室温的条件有利于微调聚苯乙烯球被压缩和液核被挤出的程度； 第三步，采用HOOMD-blue模拟软件进行模拟，选择压缩比在0.63-0.78、粒径比接近1.2的粒子，初始的聚苯乙烯粒子尺寸为1.0μm； 第四步，退火后，粒子连接形成小晶体，为了生长更大的 晶体，将颗粒悬浮在H 2O和D 2 O的混合物中（使用PBS缓冲液）， 将悬浮液装入玻璃毛细管中密封，尺寸为100μm×2mm×50 mm，毛细管沿2mm的方向倾斜20?，沿50mm长的毛细管方向施加约1℃的温度梯度，团簇进行结晶，尺寸为40μm或100μm甚至更大，制备出的胶体颗粒具有高的约束性和机械稳定性，有利于干燥悬浮液和保持金刚石结构； 第五步，以晶体为模板，在晶体上涂覆保护性氧化层，利用化学气相沉积法在模板上涂覆硅，移除模板和氧化层，最终制备出PBC。 最终制备出的胶体金刚石的晶格具有宽且完整的光子带隙。PBC的应用之一是量子计算机，传统计算机中存储“0”或“1”的数字比特被可以同时是“0”或“1”的量子比特取代。这可以更加快速地解决代码破译中许多困难的组合问题。构建量子计算机的挑战在于将许多的量子比特连接在一起以及隔离这些量子
光子晶体的应用与研究 IsSN1009—3044 Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术 V o1.7,No.22.August2011. 光子晶体的应用与研究 陆清茹 (东南大学成贤学院,江苏南京210000) E—mail:kfyj@https://www.doczj.com/doc/ac18324819.html,.ell https://www.doczj.com/doc/ac18324819.html, Tel:+86—551～56909635690964 摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结 构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用. 关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息: 中图分类号:TN364文献标识码:A 光子晶体激光器:微波天线 文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02 进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机 和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人 们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基 础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量 损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用
潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围 的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一. 1光子晶体的由来 1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为 PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结构.它是根据电子学上的概念类比得出的.我们知道,在固体物理 学的研究中,晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用.在介电常数周期性分布的介质 中的电磁波的一些频率是被禁止的,光子晶体也类似.通常这些被禁止的频率区间为光子带隙,也叫光子频率禁带,而将具有"光子 频率禁带"的材料称作为光子晶体 2光子晶体的分类与结构 我们可以根据光子晶体的结构进行分类根据其能隙空间分布的不同,我们把光子晶体分为一维光子晶体,二维光子晶体,三 维光子晶体. 3光子晶体的制造 光子晶体在自然界中几乎不存在,它是一种人造做结构,其制备工艺主要有以下几种: 3.1机械加工法 机械加工法又叫精密机械加工法.这种加工法是存光子晶体的早期研究中发展起来的方法.机械加工法通过在集体材料上进 行机械接卸钻孑L,利用空气介质和集体材料的折射率差束获得光子晶体,这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在 厘米至毫米量级的微波波段光子晶体. 3.2半导体微制造法 半导体制备技术中的"激光刻蚀","反应离子束刻蚀","电子束刻蚀"以及"化学汽相
光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能完成。 1.精密加工法 Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。 Ho等提出了木堆结构(Woodp ile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer- by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodp ile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。通过层叠 法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。 2.胶体晶体法 早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。 在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。 目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。 3.反蛋白石结构法 反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模 板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。Vlasov等人
光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体
光子晶体 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体;材料制备;前景应用 Hotonic crystal Abstract:photonic crystal is a photonic band gap in periodic dielectric structure material, according to their spatial distribution is divided into one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional photonic crystal, one-dimensional light in crystals have been obtained the practical application, 3D light in the crystal is still in the laboratory stage, because of its excellent performance, future photonic crystal material bound to get development, application is more extensive. This paper briefly discusses the principle of photonic crystal, theoretical research, preparation and application. Photonic crystal material is the most potential of one of the materials, to the world in the late eighty put forward this concept. Light in materials research and application has been great development, present in the fiber and semiconductor lasers have been applied, the photonic materials the basic concepts and research status are summarized and the future development trends to make the corresponding prediction. Keywords: photonic crystal material preparation and its application prospect 光子晶体的原理 1、什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。
光子晶体简述 吉林师范大学欧天吉 0908211 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、 三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体材料制备前景应用 光子晶体的原理 1、什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。 1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 ２、光子晶体的性质 光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好 落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，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，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展 段廷蕊 李海华 孟子晖3 刘烽 都明君 (北京理工大学化工环境学院 北京 100081) 摘 要 光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料,它具有尺度为光波长量级的重复结构单元,通过对这些结构单元的合理设计,可以调控光子晶体 的光学性质。近年来,光子晶体不仅在药物释放、光学开关、金属探针领域取得了广泛的应用,也为化学及生 物传感器领域提供了新的检测原理和手段。本文概述了光子晶体的制备方法及近年来该技术在化学及生物 传感器领域中的应用研究。 关键词 光子晶体 水凝胶 化学传感器 生物传感器 分子识别 Application of Photonic Crystals in Chemical and Bio2sensors Duan T ingrui,Li Haihua,Meng Z ihui3,Liu Feng,Du Mingjun (School of Chemical&Environmental Engineering,Beijing Institute of T echnology,Beijing100081) Abstract Photonic crystals are periodical materials which are made by periodically arrangement of m ore than tw o materials with different reflective index.Photonic crystals have periodical and repeated unit structure with nanometer scale, and its optical properties can be tuned by reas onably designing of the structure units.Photonic crystals have been applied not only in clinical diagnosis,drug delivery,optical s witches,ion probe,but als o in biosens ors and chemical sens ors.Here the preparation methods and applications in sens ors field of photonic crystals are summarized. K eyw ords Photonic crystals,Hydrogel,Chemical sens or,Biosens ors,M olecular recognition 1 光子晶体的概念及其结构特性 光子晶体(photonic crystals)是1987年Y ablonovitch和John等在研究自辐射和光子局域化时分别提出的。光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制,从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)。光子能带之间可能会出现带隙,即光子带隙(photonic bandgap,简称P BG)。具有P BG的周期性介电结构即光子晶体,或称作光子带隙材料,也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体中,周期性排列的重复结构单元的尺度是光波长量级,根据重复结构循环的维数,可分为一维、二维和三维光子晶体(图1)。就像半导体中原子点阵可以控制电子传播一样,光子晶体中不同折光指数的周期性排列结构可以控制一定频率的光的传播。光子带隙或禁带是指一个频率范围,频率在此范围的电磁波不能在光子晶体里传播,而频率位于导带的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。带隙的宽度和位置与光子晶体的折光指数、周期排列的结构尺寸及排列规则都有关系。但与电子相比,光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度以及更低的能量损耗。光子晶体作为一种新型的信息传导材料,已成为学术界的一个研究热点[1～5],王玉莲、顾忠泽等[6～8]发表过相关的综述和文章,宋延林等[9,10]近年来报道的具有荧光特性的光子晶体在光学器件领域显示了良好的应用前景。 国家自然科学基金项目(20775007)和863计划项目(2007AA10Z433)资助 2008206230收稿,2008209229接受
简述光子晶体的制备及其应用 摘要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用，空心光纤的简单介绍。 关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法，光子晶体的应用，光传感，空心光纤1.简介]1[ 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 2.制备和理论分析方法]2[ 2 . 1有效折射率方法 B i r k s等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比， 提出了等效折射率模型，主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性，并指 出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法，而且很少用于分析 光纤的色散特性，主要原因是一般认为其精度比较低。但也有文章表示，等效折 射率模型可以进行模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损 耗特性、色散特性等等，同时结果精度较好1 4 5 - 4 8 1 。其计算方法的主要等效步骤如 图2 . 3 . 1 所示。
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
蓝光LED光子晶体技术原理及制程详解 为回避日亚化学的蓝光LED 加萤光粉制技术专利，各业者纷纷投入其它能达到散发出白光的LED 技术，目前最被期待的技术是利用UV LED 来达到白光的目的，但是，UV LED 仍旧有着光外漏及低亮度两个不易克服的困难。使得除了继续努力来解决相关的问题外，不得不再去寻求其它的材料或技术来达到散发出白光的LED 技术。 ?在1987 年，国籍相异且分居不同地点的两位学者，Eli Yablonovitch 与Sajeev John 几乎同一时间在理论上发现，电磁波在周期性介电质中的传播状态具有频带结构，利用两种以上不同折射率（或介电常数）材料做周期性变化来达成光子能带的物质。所以光子晶体（PhotonicCrystal）被发现已将近 20 年后的今天，在各领域的应用有着相当令人激赏的表现，一直是备受研发者所关心的一项技术。 ?目前利用二次元光子晶体来达到完成白光LED 的技术，已陆续出现突破性的发展，使得未来Photonic Crystal LED 已成为众所瞩目的焦点与摆脱日亚化学专利的期望寄托。 ?1、光子晶体特性与结构 ?光子晶体随着波长不同，会出现于周期性的结构，可以分别发展出一次元、二次元及三次元的光子晶体。而在这些结构当中，最出名的应该是属于三次元的光子晶体结构，但是，三次元的光子晶体在制造上及商品化，就今天的技术而言是非常困难的。原因是目前主要研究的领域还是保留在二次元的光子晶体，所以，今天在LED 领域各业者相竞开发的光子晶体LED，也是二次元的光子晶体。 ?一般的材料构造是属于固定构造，所以材料本身会具有的一定的折射率。
光子晶体的制备与应用研究＊ 李会玲① 王京霞② 宋延林③ ①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190 ＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101) 关键词 光子晶体 胶体晶体 自组装 光学器件 光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。 1光子晶体简介 1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。 2光子晶体制备 自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。 2.1微加工方法 微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。 2.2全息光刻 全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12], · 153 · 自然杂志 31卷3期科技进展