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_第1頁(yè)
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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

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