科学家获得光子晶体纳米结构

光子晶体的一些制备方法精密机械加工法，半导体微纳米制造法，胶体晶体自组装法，反蛋白石结构法，液晶全息法。

制作三维光子晶体的方法最简单的是层层堆积法即把许多片状的二维周期性结构叠加成三维光子晶体基本组成单元是一维介电柱。

这种方法是E.Ozbay等人提出来的。

这种结构被称为“木柴垛结构” 像堆积木一样先堆好一层再按一定规则堆第二层依次堆下去最后得到一定结构的三维光子晶体。

其中每一层的一维介质柱都平行排列相互间距为a;第二层介质柱与第一层介质柱夹角为90;单数层的排列是一样的双数层的排列是一样的但是第三层与第一层位移差了a/2;第四层和第二层也也位移了a/2;第五层与第一层继续重复。

实验上第一次用氧化铝做出了这种结构光子带隙在12-14GHz波段。

这种三维光子晶体是具有面心四面对称性的全方位光子带隙其相邻两层有60到90度的角度变化。

可以用离子束刻蚀、分子束外延以及气相沉积等手段来实现。

原则上这种层层堆积方法来制造三维光子晶体很可行但是这种方法制作也有它的缺点工艺繁琐所以不适用大规模生产成本也很高。

当光子晶体结构的周期降到亚微米后会受到现有半导体工艺技术的限制所以用这种制备法来制作光学波段的三维光子晶体挑战还是很大的。

激光全息干涉法是利用了激光在光阻掩模板上刻蚀的方法。

它是利用多光栅光束同步激光在空间产生很好的周期性周期长度可以调节。

这种方法刻蚀面积大能产生三维的空间周期结构。

Berger等首次应用三个光栅的激光在硅片上形成了二维的六角周期结构光子晶体。

I.B.Divliansky应用激光干涉法制备出三维光子晶体。

2001年Kondo等人研制出制作光子晶体的一套适合多束激光脉冲干涉的光学装置该装置可随意地改变干涉光束数而制做出一、二、三维光子晶体。

总之利用多束激光干涉法很容易制备大面积且具有一定厚度的三维光子晶体这是其他方法不容易做到的。

这样可以使周期性干涉图样和相干激光的波长在数量级保持一致同时改变激光光束的传播方向、偏振和数量使三维形状的尺寸和结构发生变化从而得到各不同的对称结构。

光子晶体实验技术的使用方法与技巧光子晶体是由周期性的介质构成的结构，具有一系列特征频率以及对特定波长光的光子带隙。

近年来，光子晶体技术在光电子学领域得到了广泛应用，它在激光器、传感器、光通信等领域具有重要的研究意义和应用前景。

光子晶体的制备和实验研究是实现其应用的基础，因此熟练掌握光子晶体实验技术的使用方法和技巧对于科学家和工程师们来说至关重要。

首先，光子晶体的制备是实验研究的前提。

制备光子晶体需要选择合适的材料和合成方法，通常采用的方法有光刻、溶胶凝胶法、自组装法等。

其中，最常用的方法是溶胶凝胶法。

在制备过程中，需要掌握好材料的浓度、温度、添加剂等因素的控制，以获得高质量的光子晶体材料。

其次，光子晶体的实验研究需要使用一系列的实验设备和仪器。

例如，实验中需要用到的激光源、探测器、光谱仪等。

在选择和使用这些设备时，需要考虑其波长范围、灵敏度、稳定性等因素，以保证实验的准确性和可靠性。

此外，实验中还需要使用显微镜、光刻机等设备进行样品的制备和表征。

在光子晶体实验技术中，光子晶体的光谱测量是非常重要的研究手段之一。

通过对光子晶体材料的透射和反射谱进行测量分析，可以得到光子晶体的带隙结构和特征频率等信息。

在测量过程中，需要选择合适的光源和光谱仪，以及适当的测量角度和条件，以获得清晰的光谱曲线和准确的数据。

此外，光子晶体的结构表征也是光子晶体实验技术中的关键环节。

一种常用的表征方法是扫描电子显微镜（SEM），通过SEM可以观察光子晶体的微观形貌，并对其结构进行分析。

另外，透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等仪器也可以用于光子晶体的表征。

除了上述的基本技术和方法外，光子晶体实验技术还常常需要与其他技术和方法相结合。

例如，与纳米技术相结合可以制备出具有特定形貌和功能的光子晶体。

与光学材料的制备技术相结合可以制备出具有不同特性和应用的光子晶体材料。

在实验的过程中，需要注意实验环境的控制和实验条件的标定。

tam教授的光子晶体光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以控制光的传播和操控光的性质。

tam教授在光子晶体领域做出了重要的贡献，他的研究成果在光子学、纳米技术和量子信息等领域有着广泛的应用。

光子晶体的周期性结构是由介质的折射率分布所决定的。

tam教授的研究主要集中在设计和制备光子晶体的方法和技术上。

他提出了一种基于自组装技术的制备方法，通过控制材料的相互作用力，使得光子晶体的周期性结构能够自发形成。

这种自组装方法不仅简单高效，而且可以制备出大面积的光子晶体材料。

tam教授的研究还涉及到光子晶体的光学性质。

光子晶体具有禁带结构，即存在禁止光的传播的频率范围。

tam教授通过调控光子晶体的结构参数，成功地实现了对禁带的调控。

他发现，通过改变光子晶体的周期、介质的折射率等因素，可以调节禁带的位置和宽度，从而实现对不同波长光的选择性传输和过滤。

这种调控禁带的能力为光子晶体在光通信和光传感等领域的应用提供了新的可能性。

除了光学性质，光子晶体还具有声学、电磁、热学等多种性质。

tam 教授的研究还包括光子晶体的多功能性应用。

他通过改变光子晶体的结构和材料，成功地实现了对声波、电磁波和热传导的调控。

这种多功能性使得光子晶体在声学器件、电磁波吸收和热管理等领域有着广泛的应用前景。

tam教授的研究成果在科研界和工业界引起了广泛的关注。

他的研究不仅推动了光子晶体领域的发展，也为其他领域的研究提供了新的思路和方法。

他的成果已经产生了重要的应用价值，并取得了一系列的专利。

tam教授还积极推动学术交流和合作，他的团队与国内外许多研究机构和企业建立了广泛的合作关系。

tam教授的光子晶体研究为光学和材料科学领域带来了重要的突破。

他的成果不仅在基础研究方面有着重要的意义，而且在应用领域也有着广泛的应用前景。

相信在tam教授的带领下，光子晶体领域将会取得更加令人瞩目的成就。

郭可信院士生平郭可信（1923－2006），著名的物理冶金学家和晶体学家，中国共产党党员，中国科学院院士，中国科学院物理研究所研究员。

曾任瑞典皇家工学院研究员，中国科学院金属研究所研究员、副所长，中国科学院沈阳分院院长，辽宁省科协主席，中国科学院北京电子显微镜实验室主任，全国人民代表大会第三、五、六届代表。

郭可信先生1923年8月23日生于北京，祖籍福建省福州市。

1941年7月考入浙江大学化工系。

1946年毕业后公费留学赴瑞典，就读于瑞典皇家工学院，并在乌布撒拉大学、荷兰Delft皇家理工学院从事合金钢中碳化物及金属间化合物的研究。

新中国成立之初，郭可信先生虽身在异国他乡，却时刻关心新中国的社会主义建设情况。

1956年响应党的“向科学进军”的号召，毅然回国参加社会主义建设，到中国科学院金属研究所工作，先后担任研究员、副所长。

1980年4月任中国科学院沈阳分院副院长。

1980年9月任辽宁省科学技术协会主席。

1980年当选为中国科学院技术科学部学部委员（院士）。

1982年6月任中国科学院沈阳分院院长。

1985年至1993年任中国科学院北京电子显微镜开放实验室主任。

1993年至2006年任中国科学院物理研究所研究员。

郭可信先生学风正派，治学严谨，勇于创新，学术思想活跃。

特别热心于青年科技人员的培养，鼓励他们要超过前人，超过自己，为年轻科技人员的培养呕心沥血。

他学术民主，平等待人，非常尊重他人意见。

郭可信先生为我国的科研事业做出了突出贡献，在物理冶金、特别是晶体结构与缺陷及准晶研究等方面取得了卓越的成就。

早在瑞典留学期间就取得多项研究成果，在合金钢碳化物结构方面做出了原创性的工作，代表论文已列为国际经典文献。

回国后继续从事金属材料研究工作。

六十年代初，与其他研究人员一道，率先开拓了透射电镜显微结构研究工作。

七十年代以来，郭可信先生一方面在电子衍射图的几何分析方面做了大量研究工作；另一方面在电子衍射图自动标定的计算机程序设计，特别是将“约化胞”用于电子衍射标定未知结构的分析研究工作，达到国际水平。

光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。

光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。

光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。

原理光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch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。

由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。

这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。

我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。

特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。

应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。

使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。

2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。

这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。

光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。

英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。

光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。

科学家揭开变色龙变色之谜①长期以来，人们一直对变色龙通过变色吸引同伴、吓退情敌、迷惑捕猎者的原理着迷。

②今天，科研人员宣布他们揭开了变色龙变色的秘密，而这一发现让他们大为震惊。

③科研人员发现，变色龙不是通过色素来改变颜色的，而是靠调节皮肤表面的纳米晶体，通过改变光的折射而变色的。

④日内瓦大学的生物学家米歇尔·米林科维奇说：“我们十分惊讶，人们曾认为它们是通过色素来变色的，但真正的原理完全不同。

”⑤雄性变色龙变色，可以让自己的外表更加华丽，以吸引异性、吓退情敌；或是让自己的外表更加不起眼，从而躲过捕食者。

⑥大多数其他种类的变色动物通过黑色素在黑素细胞内聚集和发散来调整颜色的明暗程度，它们改变的是颜色的亮度，而不是色调。

⑦研究团队称，此前人们也一直用该原理解释变色龙的变色过程。

但这个说法，现在被证明是错误的。

⑧对变色龙皮肤的分析显示，变色龙的变色是由透明的被称为“光子晶体”的纳米物质控制的，光子晶体位于虹细胞层，在变色龙的色素细胞之下。

⑨日内瓦大学在一份报告中说，变色龙可通过“调节”虹细胞内的纳米晶体结构来改变光线的折射。

“当变色龙状态平静时，纳米晶体呈密集网状分布，折射出蓝光。

而当变色龙兴奋时，纳米晶体结构会变得松散，因此折射的光线呈黄色或红色等其他颜色。

⑩他们发现变色龙还有更深一层的虹细胞，这些细胞包括“体积更大、更不规律”的晶体，可折射强光，实质上是一层智能隔热板．．．．．．．．．．．。

⑪研究团队说：“虹细胞呈两层分布是进化的新特点，这令变色龙可以迅速在有效保护色和鲜艳颜色间转换，同时提供被动热防护。

”其他爬行动物体内只有一种无法变色的虹细胞。

1.文章第①自然段是否可以删去?请说明理由。

(3分)_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________2.变色龙变色原理的传统解释是什么？科研人员指出这种认知的误区在哪里?(4分)_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 3.现在科研团队探明变色龙变色时，纳米晶体结构变化和颜色变化有何关联?(3分)_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 4.文中第⑩自然段加点处使用了什么说明方法？作用是什么？(3分)_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________5.下列表述不符合原文意思的一项是( )。

光子晶体-从蝴蝶翅膀到奈米光子学一、概述光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构和性质使其在光学应用中具有广泛的潜力。

光子晶体的研究不仅可以派生新的科学原理，更可创造一系列新的技术应用，如光子晶体在光子电路、传感器、太阳能电池等领域的应用。

本文将从蝴蝶翅膀的启发、光子晶体的基本原理和制备方法，以及其在奈米光子学中的应用展开阐述。

二、蝴蝶翅膀的启发1. 蝴蝶翅膀的结构蝴蝶翅膀上的颜色是通过色素和光学结构共同作用而产生的，其中光学结构对颜色的产生起到了重要作用。

这种纳米结构使得蝴蝶翅膀表现出耀眼的色彩，给人留下深刻的印象。

2. 从蝴蝶翅膀到光子晶体科学家通过对蝴蝶翅膀的研究发现，在其翅膀上存在一种具有周期性的结构，这种结构能够控制光的传播和折射，产生特定的颜色。

这种启发使得科学家开始着手研究如何利用人工合成的周期性结构来模拟蝴蝶翅膀的光学效应，最终形成了光子晶体的概念和研究领域。

三、光子晶体的基本原理和制备方法1. 光子晶体的基本原理光子晶体是一种周期性介质结构，常见的有一维、二维和三维的光子晶体。

其周期性结构导致了光子在晶格中的能带结构和光子的禁带结构，从而制备出特定波长范围内的光子晶体。

光子晶体材料的光学性质往往受周期性结构的影响，从而具有很多独特的性质。

2. 光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括模板法、自组装法、溶胶-凝胶法和离子束刻蚀法等。

模板法是利用聚合物或胶体微球的周期性结构作为模板来制备光子晶体，自组装法是将光子晶体材料中的微小颗粒自组装成周期性结构，而溶胶-凝胶法是通过溶胶和凝胶的转变来形成周期性结构，离子束刻蚀法则是通过离子束进行局部刻蚀来形成光子晶体的结构。

四、光子晶体在奈米光子学中的应用1. 光子晶体的传感应用光子晶体在传感器领域有着广泛的应用，其周期性结构可以调控光的传播和散射，在光子晶体的特定位置引入感受体可以使其对特定物质发生敏感，从而实现对溶液成分、光学参数等物理化学信息的检测。

纳米光子学研究与应用纳米光子学是最近几年来新兴的领域，其研究旨在利用纳米尺度的结构来控制和操纵光子，从而实现新型的光电学设备和器件。

这个领域的研究涉及到多个方面，包括材料物理学、光学、电子学和器件制备等。

本文将简要介绍纳米光子学的研究方向和应用，以及现有的一些成果和发展趋势。

一、纳米光子学研究方向纳米光子学的研究方向主要有以下几个方面：1. 元器件制备：纳米光子学研究的第一步就是制备出具有特定形态和结构的纳米级光子结构，如纳米线、纳米棒、纳米球等。

制备这些结构需要使用现代纳米技术，如电子束光刻、化学气相沉积等。

2. 光子学效应研究：利用纳米级结构对光子进行控制和调制，进一步研究纳米级结构的光学性能。

这个方向主要涉及到物理光学和电磁学等基础科学，如表面增强拉曼散射、量子纳米光学等。

3. 纳米光子学器件：在纳米级结构的基础上，构建出新型的光电学器件，如纳米激光器、纳米传感器、纳米光学调制器、纳米激光器和光子晶体等。

这些器件可以被用作信息处理、能源收集和储存、医疗影像等领域。

二、纳米光子学应用领域纳米光子学的应用范围广泛，其中一些应用正在研究中，一些已经得到了实际应用，下面是一些主要应用领域的简要介绍：1. 生物医学：纳米光子学的应用非常广泛，用于制备纳米级生物传感器、纳米药物输送器等。

这些器件具有很高的灵敏度和选择性，可以用来监测生物分子、细胞和组织结构等。

2. 能源领域：纳米光子学在太阳能电池和光催化领域有着广泛的应用。

利用纳米级结构可以控制太阳能电池的电子运动轨迹，从而提高光电能转换效率。

在光催化领域，纳米级结构可以增强光吸收，从而提高反应速率和效率。

3. 信息处理：纳米光子学在信息处理领域的应用是一大热点。

纳米级结构可以用来制备超高密度光存储器，单光子计算机和通信器件等。

4. 其他领域：纳米光子学还可以应用在安全防伪、纳米光子学显示技术等领域。

三、纳米光子学的新进展和发展趋势纳米光子学的研究是一个快速发展的领域，近年来有很多新的进展，这里列举几个新的成果和发展趋势：1. 第一种可重复制造的纳米光子晶体结构：科学家们研究出了一种新型的纳米光子晶体结构，并且成功地实现了大批量可重复制造。

光子晶体的制备及应用王文瀚12S011029 1 引言光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。

1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。

实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。

蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。

这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。

正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。

这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。

当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。

1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。

1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。

[1]2 光子晶体原理最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。

A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。

普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。

比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。

根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。

(a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构图1 光子晶体结构示意图一维光子晶体是由多层介质薄膜构成，在光子晶体概念提出以前，就已经得到广泛研究和应用，如分布布拉格光栅。

纳米光子学领域的研究进展及应用前景近年来，纳米光子学领域得到了越来越多的关注。

随着人们对光子学的认识逐步加深，纳米级别的光子学研究也得到进一步发展。

本文将概述纳米光子学领域的研究进展及应用前景。

一、研究进展在纳米光子学领域，核心问题之一是如何在纳米尺度下控制光的传播和操纵。

因此，科学家们不断开发新材料、结构和技术，以实现对光的高精度控制。

首先，对于纳米结构材料的研究，人们提出了具有多种功能的“纳米金属光子学”材料，通过对这些材料进行表面增强拉曼散射（SERS）、表面等离子体共振（SPR）、纳米光电效应等研究，不仅在化学分析、催化反应、环境监测等领域取得了稀有的成果，还为人们理解光与物质相互作用的基本机制提供了重要的实验平台。

同时，近来新型纳米材料也成为了研究点。

例如，刚刚从实验室中走向市场的“太阳能吸收剂”——钙钛矿材料具有很强的吸收和转换光能力，可广泛应用于太阳能电池、透镜和光学器件中。

此外，人们还通过纳米结构和量子点等材料的制备和修饰，实现了光子晶体、介质光子晶体、单光子源、纳米激光和以太赛电路等应用。

其次，纳米光子学领域的一个重要研究方向是纳米光学测量和纳米光学显微镜。

目前，课题组在建立同步X射线脉冲和激光精确定位新技术、开发同步脉冲束线小角X射线散射显微镜等方法，已经实现了对晶体的高解析快速成像，为传统TEM、STEM等技术的互补提供了可能。

同时，新型超分辨显微镜系统和相关算法、智能化光弹模拟方法的应用提高了精度、稳定性和效率。

最后，对于纳米光子学领域的研究，近年来人工智能也开始在其中发挥巨大的作用。

通过将机器学习算法与光学领域相结合，科学家们可以实现对图像、数据和信号处理的自动化分析，为研究提供更准确、高效的方法和手段。

二、应用前景纳米光子学研究不仅在基础研究领域中发挥着至关重要的作用，而且在未来发展中也有着广泛的应用前景。

首先，纳米光子学对于宽波段太阳能电池、高效绿色光源、高效LED照明器件和激光器等领域都有着很大的应用潜力。