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《太原理工大学》 2012年
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TiO_2/金属(氧化物)多层膜光学特性的研究

张雪  
【摘要】:光子晶体是一种介电常数呈周期性变化的人工晶体材料,具有光子禁带和光子局域等特性,在光通讯、光电子集成等领域有着广泛的应用前景。目前,微波波段与红外波段的光子晶体已进入实际应用阶段,而在紫外—可见光波段,因受到制备工艺以及材料本身特性(存在严重吸收)等因素的限制,对其理论与实验制备的研究相对较少,但鉴于其存在很大的应用潜力,正在逐渐引起研究人员的关注。一维光子晶体结构简单,易于制备,同时又具备二、三维光子晶体的特性,已成为人们的研究焦点。多层膜结构通常是由两种或几种材料交替沉积而形成的人造层状结构,是典型的—维光子晶体结构,材料可选择金属、半导体及其它材料。而金属不同于普通介质,属于强色散媒质,其在红外至紫外频段范围呈现负介电常数的特性,存在较大的吸收。因此,金属材料的加入将有可能使多层膜结构获得更好的光学特性。 TiO2在可见光波段是一种高折射、低吸收的半导体材料,具有宽禁带、良好的化学稳定性及光催化特性,因而在传感器、太阳能利用、催化工业及环境治理等方面具有广泛的应用前景。本文基于TiO2介质材料,设计并制备了多层膜一维光子晶体。首先利用传输矩阵法设计了由TiO2分别与Cu、 A12O3、SiO2构建的多层膜一维光子晶体,并对它们的带隙结构及影响因素进行了讨论分析。依据Cu/TiO2多层膜的设计模型,利用磁控溅射镀膜技术制备了Cu/TiO2多层膜。具体研究内容如下: 1.设计了Cu/TiO2多层膜一维光子晶体,在可见光-近红外波段有一光子带隙,带隙位置在640~1250nm,反射率高达95%。入射角在0。~15。范围内时,TE和TM模式下带隙完全重合;当入射角大于15。时,两种模式下的带隙随入射角的增加分别变窄和变宽,属于不完全带隙。并且在400nm附近的吸收率高达62%以上,而透射率几乎为零。 2.设计了Al2O3/TiO2多层膜一维光子晶体,在紫外-可见光波段存在一光子带隙,带隙位置在346~475nm,且在中心波长400nm处反射率高达100%。随入射角度的增加,TE和TM两种模式下的带隙均发生蓝移,带宽分别变窄和变宽,属于不完全带隙光子晶体。 3.设计了(SiO2/TiO2/SiO2)N多层膜一维光子晶体,在紫外-可见光波段形成通带,其带隙位置在320~490nm,400nm波长处的透射约为95.4%。优化结构使其带隙趋于稳定,此时400nm处的透射率高达100%。随入射角度的增加,TE和TM两种模式下的带隙均发生蓝移,带隙宽度变窄,且在0。~30。范围内400nm处透射率仍高达100%,该结构有望被用于光催化。 4.利用磁控溅射法制备了Cu/TiO2多层膜,表征发现:膜层均匀而致密,以锐钛矿和金红石两种晶型混合存在。此外,多层膜与TiO2薄膜相比在400~800nm波段范围内具有高透射和高吸收的特性,该多层膜结构能够在一定程度上提高TiO2对太阳光的利用率,从而提高其光催化效率,因此有望被用于光催化剂。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O484.41

【参考文献】
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