光子晶體的禁帶機(jī)理及不同結(jié)構(gòu)晶體薄膜的制備和光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、光子晶體是不同介電系數(shù)的材料在空間周期性排列的結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制材料介電常數(shù)的周期性，一個(gè)給定波長(zhǎng)、給定傳播方向的電磁波可以被終止傳播，這是光子晶體材料最重要的特性，即禁帶特性。這一獨(dú)特的性質(zhì)，為光子晶體像半導(dǎo)體控制電子一樣精確控制光子流動(dòng)提供了可能性。有人預(yù)言，正如半導(dǎo)體研究導(dǎo)致了電子工業(yè)的革命一樣，光子晶體可能代替半導(dǎo)體，成為信息承載和傳輸?shù)拿襟w，導(dǎo)致再一次的技術(shù)革命。但是，由于光子晶體概念的出現(xiàn)，只有二十多年的歷史，圍繞著晶體禁帶的形

2、成，無(wú)論其理論機(jī)理，實(shí)際制作過(guò)程，還是材料光學(xué)性能測(cè)試等方面，都有一些具體問(wèn)題有待深入研究。
　　 本論文首先總結(jié)了光子晶體的基本概念和特征，在分析場(chǎng)方程和能帶理論基礎(chǔ)上，對(duì)電子晶體和光子晶體進(jìn)行了比較，對(duì)光子晶體的研究方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明。在光子晶體制作方法方面，對(duì)“自上而下”的物理方法和“自下而上”的化學(xué)自組裝方法都進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)光子晶體在材料、結(jié)構(gòu)和方法等方面的進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。在光子晶體應(yīng)用方面，著重介紹了光子晶體在紅

3、外、光波和微波等領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　 本論文既有理論研究，又有實(shí)驗(yàn)制作和分析表征。在理論研究方面，主要分為兩部分內(nèi)容：
　　 1、用平面波展開法，對(duì)二維情況下TE模式和TM模式的波矢量進(jìn)行了的表征，以說(shuō)明二者為什么會(huì)有不同；通過(guò)對(duì)三維情況下的一般矩陣進(jìn)行推導(dǎo)，說(shuō)明三維能帶的復(fù)雜性；用有限時(shí)域差分方法，對(duì)電磁場(chǎng)的分布規(guī)律和能帶分布進(jìn)行分析。這一部分研究，不僅是對(duì)常用計(jì)算方法的推導(dǎo)和應(yīng)用說(shuō)明，更主要的是解決一個(gè)為什么會(huì)出現(xiàn)這樣

4、現(xiàn)象的問(wèn)題。
　　 2、光子晶體散射元研究：散射元是光子晶體的構(gòu)成基本因素，目前研究中存在的問(wèn)題有：很多二維光子晶體研究，沒(méi)有按照TE模式或TM模式分開進(jìn)行，關(guān)于不對(duì)稱性散射元研究較少。本研究中，在給出散射元的基本理論和常見散射元的基礎(chǔ)上，獨(dú)立設(shè)計(jì)了兩種新型的散射元——圓弓形和扇面形散射元。通過(guò)不同禁帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算，比較出非完全對(duì)稱情況下，TE模式和TM模式禁帶的不同。結(jié)果表明，兩種散射元不僅在光子禁帶大小方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而且可以方

5、便調(diào)整光子晶體禁帶的寬度和位置。
　　 在具體制作和分析表征方面，也分為兩部分內(nèi)容：
　　 1、近紅外波段光子晶體制備和表征：這一部分包括“膠體微球合成和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)膠體晶體制備”及“復(fù)雜膠體結(jié)構(gòu)和帶有功能缺陷結(jié)構(gòu)的晶體制備”兩章，制備和表征的內(nèi)容較多。既有聚苯乙烯微球、二氧化硅微球的合成，又有采用垂直沉淀法和水平沉淀法對(duì)單一組成材料的光子晶體薄膜的制備和表征；既有以一元的PS微球膠體晶體為模板、用SiO2滲透，制作的反相的

6、FCC結(jié)構(gòu)的光子晶體，又有采用不同大小的PS球，制作的二元膠體晶體及其反相結(jié)構(gòu)；既有用PS和SiO2微球制備的嵌有面缺陷的蛋白石及反相蛋白石，又有在PS微球膠體晶體中植入線缺陷的嘗試。
　　 2、太赫茲波段光子晶體的制備和表征：當(dāng)球粒直徑達(dá)到10多微米或者幾十微米，光子晶體的禁帶就進(jìn)入了一個(gè)新的頻域---太赫茲頻域。但是，當(dāng)組成基元直徑在十、百微米級(jí)時(shí)，會(huì)對(duì)具體自組裝方法提出新的要求。這時(shí)，一是用微加工方法制作太赫茲頻域的光子晶

7、體;二是結(jié)合自組裝方法，在已經(jīng)加工好的硅片上，嘗試用大直徑的PS微球，進(jìn)行組裝和表征。本文中對(duì)兩種方式都進(jìn)行了嘗試。
　　 最后，論文總結(jié)指出：光子晶體，特別是三維光子晶體，可能成為信息處理和通信等領(lǐng)域的新型功能材料。為了達(dá)到這一目的，有必要對(duì)光子晶體的理論進(jìn)行深入研究和整合，使其更系統(tǒng)化。對(duì)于制作方法，化學(xué)自組裝方法是制作三維光子晶體最經(jīng)濟(jì)、有效的方法，但是它也有自身的不足。要實(shí)現(xiàn)各種功能缺陷的三維光子晶體的制作，化學(xué)自組裝方