物理光学论文

           题     目  光子晶体的制备与应用 

     院       系       英才学院       

     学　　   号      **********      

     姓       名        张一博        

     日       期      2012、10、31    

摘要

本文介绍了基本光子晶体、二维光子晶体以及复合结构光子晶体的制备。光子晶体具有许多不同于单组分胶体粒子的独特的光、电、磁、催化等物理与化学性质, 是构筑光子晶体材料的重要组元。从材料复合的不同形式阐述了复合结构光子晶体的制备方法; 列举了光子晶体器件的典型应用, 综述了光子晶体的主要用途; 并展望了复合结构光子晶体的发展方向。

关键词：光子晶体；二维光子晶体；复合结构光子晶体；制备；功能；应用

Abstract

This paper introduces several kinds of photonic crystals such as two-dimension photonic crystal and compound-photonic crystal. Then the paper talks about some ranges to use these photonic crystals. 

Keywords: photonic crystal, two-dimension photonic crystal, compound-photonic crystal, use.

1  引言

    光子晶体的出现，为信息技术新的飞跃提供了一次历史性的机遇。正如20世纪中叶半导体的发现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样, 光子晶体的研究、开发和应用可能在未来若干年世界经济的发展提供一个新的生长点。光信息技术是信息化社会的主要技术支撑。目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之上的微电子技术。由于强烈的需求, 微电子技术以惊人的速度发展。根据摩尔定律, 半导体元件的集成度以每18个月翻一番的速度发展, 电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限(如速度极限、密度极限), 这些不可逾越的技术极限对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识, 因为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。然而, 由于光子不像电子一样易于控制, 长期以来, 光信息技术仅仅在信息传输(光通信)中得到应用, 而且是最基本的信息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖微电子技术。

2  光子晶体的制备

2.1 基本光子晶备

能使得红外光与可见光反射的光子晶体, 其晶体之晶格大小约为波长的1 /3到1 /2左右, 相当于200- 500纳米。要以人工的方式制作这样周期大小的光子晶体, 一种方式是使用比传统微米级更优良的曝光显影技术；另一种方式则是以成长、沉积或化学合成的技术, 建构薄膜或纳米颗粒。拜纳米科技之赐, 我们得以在光子晶体理论发展的同时,以人工的方式, 建构能使红外光与可见光反射的光子晶体, 才能使光子晶体的研究得以蓬勃发展。

已经发展许久的薄膜科技便是光子晶体的基本技术, 以两种以上的薄膜交互成长所构成的多层膜称为一维光子晶体。如果于平面的基材上挖洞, 所形成的孔洞以类似矩阵的周期形式排列, 便可建构二维光子晶体。若将二维的周期性结构加以堆积, 便成为三维光子晶体。

一维的光子晶体(即为多层膜结构) 用于传统光学中已有数十年的历史。二维与三维光子晶体, 便是从纳米制程技术成熟之后, 才逐渐伴隨著光子晶体的理论一起发展起来。基本上由于二维光子晶体的光局限效应有限, 光能量便不容易局限于光子晶体当中。故三维光子晶体便可能是未来元件实际制作的基本架构。

目前三维光子晶体的建构方法, 一种是以电子束显影法制作柵栏状的结构, 再加以堆积形成网格状的结构。其制作方法繁杂, 堆积的对准也是一个挑战, 但此方法可精确设计晶格缺陷的大小与位置, 元件制作的可重复性较高,但时间与成本均相当可观。另一种陷制作于光子晶体当中。此外, 三维光子晶体也比二维光子晶体多了一个空间自由度, 因此, 三维光子晶体的研究仍有相当大的发展空间。如图2所示即为三维光子晶体之应用例子。

在1991年, Yablonovich制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3. 6 的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm 的孔, 并呈周期性分布。这种材料从此被称为Y ablonovich0, 它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。

方式是以聚苯乙烯或SiO2所合成的小球加以堆积,此方法可堆积较厚的三维光子晶体结构, 制作速度与困难度也相对低了許多。但此方式仍无法依据设计将晶格缺

2.2 二维光子晶体的制备

光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当, 因此禁带中心位置的波长越长, 光子晶体越易制造。微波波段的光子晶体晶格常数在毫米量级, 用机械加工的办法可实现。如图1 所示, 把直径为毫米量级的介质柱相互平行排成阵列, 或者在介质基底上打孔形成相互平行的空气柱列, 当微波在平行于圆柱轴线的平面上传播时, 就会形成光子带隙。最早的二维光子晶体就是如此制作的。

近年来, 研究者利用现有的半导体器件制作工艺, 制备了光子禁带在可见一红外波段的二维光子晶体,其方法是通过光刻预先引入一定图案, 形成特定的晶系。目前, 二维光子晶体的晶格多采用四方晶系、六角晶系和三角晶系。其中, 三角晶系受制造不均匀性的影响较小, 易出现完整的光子禁带。但是,三角晶系中要得到完整的禁带, 必须保证足够的空隙率，孔的形状对带隙结构也有影响, 圆形, 六角形, 三角形, 四方形的孔所形成的带隙结构

中, 只有圆孔构成的晶格具有显著的完全禁带。光子晶体是由不同介电常数的介质材料周期性排列构成的材料, 而二维光子晶体是利用介电常数为1 的空气与其他介电常数较大的材料形成周期性的变化, 可分为空气柱型和介质柱型; 下文将分别简要介绍这两种类型光子晶体的制备方法。

2.2.1 空气柱型光子晶体

2.2.1.1化学辅助离子束腐蚀法

以501(silieon-on-insulator)片为基板, 图案先用电子束平板印刷在PMM A (聚甲基丙烯酸甲醋) 上,然后用CAIBE(化学辅助离子束腐蚀) 转移到Si上,形成空气柱型光子晶体。采用这种方法, 能够获得200-700nm的晶格常数, 制备出PBG 位于可见-近红外区间的光子晶体。

2.2.1.2 电化学腐蚀法

用标准平板印刷及碱腐蚀得到有序的腐蚀坑,在此基础上用电化学腐蚀得到规则排列的孔, 然后用氧化和HF腐蚀进行扩孔, 对PBG的中心波长进行调整, 而光子带隙的分布则由填充因子和介电常数比决定。这种方法制备的二维光子晶体中, 宏孔多孔硅最为典型。由于硅材料介电常数大, 而且宏孔多孔硅径深比大, 十分适用于制作二维光子晶体。 一般采用中等掺杂浓度n型晶向的硅片, 可以形成孔径为微米级的宏多孔硅, 最终得到禁带位于中红外波段的光子晶体。

2.2.2 介质柱型光子晶体

介质型光子晶体是空气柱型光子晶体的反结构, 一般采用三角或四方晶系。 以金属团聚为核心做自形成腐蚀模, 低温下在SixFy气氛中用ECR(电子回旋加速共振传)腐蚀, 得到深径比很大的结构,制备出光子晶体。

2.3 复合结构光子晶体的制备

合成复合结构光子晶体的方法大致分为3种：湿法, 主要在液态中进行, 如化学沉淀和电沉积；干法，主要是气相反应；物理方法，向SiO2或聚合物胶体晶体空隙中注入熔融态材料或纳米粒子的悬浮液, 一般要考虑到胶体晶体模板本身的特点, 如聚合物不能在高温过程中使用, 二氧化硅胶体晶体则无需考虑这点。复合的形式主要有两类: （1）先制备出复合型胶球( 核壳型、空心型或均匀复合型),然后再组装形成有序结构;（2）在已组装的胶体晶体周围空隙中填入新的功能组分。

2.3.1复合型胶球制备

合成固态复合型胶球的方法主要有两种: 在核表面直接进行反应或聚合沉积; 在核表面吸附已经合成的粒子。

（1） 核表面直接进行反应或聚合沉积

在多种无机或聚合物粒子的核表面可直接或经修饰特殊基团后包覆另外的组分即壳层。Ian D.Hosein 等利用改进的化学浴沉积方法, 使锌与硫代硫酸钠在PS小球表面直接合成ZnS, 制得PSZnS核壳结构材料, 其核壳尺寸分别为

356nm和63nm, 并组装成胶体晶体。Unyong Jeong 等以单分散性球形SeAg2 Se核壳结构为模板, 利用阳离子交换反应获得SeCdSe 核壳结构复合材料, 由于其单分散性良好且折射率较高, 故可用来组装成宽禁带强吸收峰的光子晶体。

（2） 核表面吸附粒子

首先合成出粒径较小的纳米粒子, 然后通过与较大粒径胶粒相互间的静电作用自组装为核壳结构。利用层层叠加技术（LBL) 可以在胶粒的表面形成纳米多层膜。Kyungkon Kim等利用该技术将高分子聚合电解质吸附在280nm 的SiO2表面上, 制得核壳结构光子晶体, 并可以通过吸附多层来控制光子晶体的发光性能。

3  光子晶体的应用

光子晶体具有光子带隙和光子局域的特征, 使其在光电子器件和通信领域有着广泛而重要的应用。光子晶体的有序多孔性和光子带隙的可调节性, 可以用来制作各种类型的传感器。光子晶体的结构颜色和莲花效应, 可以用来制备装饰材料、仿生材料和自清洁材料。近年来光子晶体的应用研究也主要是从以上三个方面展开。下面列举几个光子晶体的典型应用。

3. 1高效率发光二极管

向光子晶体中引入微腔, 在光子带隙中会产生特定的缺陷态。在适当的微腔结构下, 微腔将只对应于单一的电磁模式。把发光二极管置于光子晶体中, 二极管所发出的光都将进入此单一模式, 从而射出的光将具有极好的单色性和方向性。由于光在材料内部的反射和散射被抑制, 光能全部到达体外。意大利研究小组利用SOI核壳结构镶嵌掺Er3+ 纳米晶粒所构成的 Si 基光子晶体结构, 获得了Er3+ 在室温下的1.54m 强光发射, 与通常掺Er3+ 的 Si 基纳米结构相比, 发光强度增加了近 250 倍。另外, 他们设计并制作了光子晶体 Si 纳米团簇发光二极管, 其光发射效率比传统的Si 基纳米结构发光二极管提高了 4 倍。这些结果显示出, Si 基光子晶体在未来的Si 基高效率发光器件中具有不可限量的应用前景。

3.2 光子晶体激光器

随着元器件的不断微型化, 半导体激光器由于体积的相对庞大, 慢慢地不能适应需要。同时, 由于自发辐射的存在, 激光射出的方向总会与自发辐射的方向成一定的角度, 这样只有在驱动电流达到一定阈值时才能产生激光。但如果在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体, 使缺陷态光波导与激光射出的方向成同一角度, 自发辐射的能量几乎全部可用来发射激光, 这将大大降低激光器的阈值。2000 年制得了以电流驱动的光子晶体激光器, 虽然这种光子晶体激光器的阈值仍然达到300微安, 但为以后的研究提供了借鉴。

3.3 多功能传感器材料

    Ozin 等利用 SiO2 模板技术制备出的 SnO2 反蛋白石结构中, 微球与微球之间的颈的大小与其对 CO 气体的响应性之间存在函数关系, 因而可以用来制作监控 CO 的气体传感器。由于颈的连接程度是由起始时SiO2 蛋白石模板中的颈继

承而来, 因此通过控制起始时SiO2 蛋白石模板烧结时的温度,就可以达到最终控制SnO2 蛋白石中微球之间颈连接程度的目的。另外, 通过向蛋白石或反蛋白石中掺入Pt、Pd、Cu 等金属材料所得到的有序多孔复合材料, 也可以对混合气体中的单一组分进行监控。

3.4 光子晶体光开关

Mazur enko 等首次通过实验证实了三维光子晶体作为超快光开关使用的可能性。他们发现在适当能量强度( 70J/cm2 ) 的脉冲激光作用下, 蛋白石结构中Si 材料受到光诱导而发生折射率的改变, 可以导致光子带隙位置布拉格衍射的超快变化, 在30fs 的脉冲作用下其变化幅度高达1%。这种效应对于计控制自发辐射的光开关是非常有意义的。Vlasov 等利用一种具有低损耗 Si 光子晶体波导的超小型光子集成电路可以使Si 芯片中的光群速度减小到原来的1/ 300。此外, 通过光子晶体的局部加热, 还可以实现对光群速度进行快速( 约100ns) 和有效的( 2mW) 灵敏控制。Tanabe 等利用光子晶体微腔已经在Si 芯片上制作了全光开关, 其开关速度约为50ps, 开关能量低达100fJ 左右。该结构由一个超小型和高品质因子的纳米微腔连接到输入和输出光波导结构而构成, 其开关特性是由双光子吸收产生的载流子的等离子体效应所引起的非线性折射率变化所导致。这种光子晶体微腔结构有可能会将S-i MOS 电子集成电路与采用Si 基光子晶体的光子集成电路有机地融合在一起, 以形成光电子集成芯片。姜等率先试制成了长度为80m 的超小型 Si 光子晶体波导调制器, 其调制深度为92%, 实现相漂移的最小电流为0.15mA,该调制器可以在波长为1567nm时很好地工作。最近, Haur ylau 等采用二维Si 基光子晶体带隙结构制作了电调谐的光调制器。研究证实, 该结构可以采用任意电- 光材料工作, 并可用于快速有效的光调制器、路由器和可调谐的滤波器。此外, 光子晶体在光纤、微波天线、超棱镜等方面都有应用。这些新型光子晶体器件是大规模集成光路的基础, 目前的研究甚至开始向光子器件集成方向推进, 这必将同半导体和集成电路一样, 对人类的生产和生活产生深远的影响。

4  展望

随着人们对复合结构形成机理认识的不断深入和实验手段的日趋完善, 复合粒子的种类和制备技术呈多样性地快速发展。目前, 人们已经能够初步地从纳米尺度上控制包裹层的组成、厚度和均匀性。但是, 复合结构粒子的现有制备技术还不能满足目前光子晶体的设计要求。采用现有制备技术获得的复合粒子还存在以下几个方面的缺陷: （1）复合结构可控性差, 难以重复; （2）核壳结构中壳层物质的厚度不均匀; （3）核表面包裹不致密; （4）复合粒子的粒径分布宽等。这些缺陷了它们在光子晶体中的应用。因此利用胶体粒子模板表面与壳层物质或其前驱物间的特殊相互作用( 包括静电和化学相互作用) , 发展新的制备方法或完善现有的制备方法, 制备具有设定组成结构和性能的复合结构粒子, 仍是将来的粒子表面纳米工程以及获取有序的先进纳米复合结构光子晶体的主要发展方向。

参考文献

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