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《国防科学技术大学》 2010年
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Ge反opal三维光子晶体薄膜的制备与光学性能研究

李宇杰  
【摘要】: 光子晶体具有能够调控光子传播的特殊光学特性,成为未来信息产业最有希望的基础材料之一,在光学物理、凝聚态物理、信息工程、新材料等领域引起了广泛关注。Ge作为目前广泛使用的半导体材料,以其为介质制备的Ge反opal和Ge木堆三维光子晶体,整合了半导体的光电特性和和光子晶体的带隙特性,可用作制备具有特定光学效应的光子器件,具有良好的应用前景。 本文采用低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积法(PECVD)对opal模板填充Ge,制备出具有较高质量的Ge反opal三维光子晶体薄膜;采用低温和室温PECVD法对高分子木堆填充Ge,制备出高分子-Ge复合木堆。通过理论计算结合实验测试,系统研究了Ge反opal薄膜微观结构状态与宏观反射及透射光学性能之间的关系,进而获得了反opal薄膜光学性能的主要影响因素和调控方法,为Ge反opal光子晶体的实际应用奠定了良好的基础。本文的研究内容与结论包括: 1、针对反opal和木堆光子晶体光学性能的研究需求,采用平面波展开法和传输矩阵法对反opal和木堆的光子带隙性能进行了理论计算。获得晶格常数、有效折射率、填充率和入射角度对反opal光子带隙能带和反射系数的影响规律;获得结构参数对木堆光子带隙能带的影响规律。 2、针对反opal填充效果的定量表征需求,构建了反opal填充率数值计算的几何结构模型,采用蒙特卡罗法模拟计算,得到了归一化厚度r/d与填充率ff之间的对应关系。 3、采用LPCVD法填充Ge制备了Ge反opal。分析了opal结构表层与底层沉积差异的影响因素,通过减小反应速率常数、减小GeH4浓度、增大扩散系数,可减小表层与底层沉积差异。系统研究了工艺参数的影响,实验证明调节反应温度、反应气压和气体流量是调节ff的有效手段,实现了450℃下Ge的致密填充。 4、采用PECVD法填充Ge制备了Ge反opal。(1)系统研究了高温PECVD法的反应气压和射频功率对Ge的填充效果的影响。通过提高反应气压,选择适宜的功率范围,实现了550℃下Ge的可控致密填充。(2)系统研究了低温PECVD法的反应温度、气体流量和反应时间对Ge的填充效果的影响。通过选择适宜的射频功率,增大气体流量和反应时间,实现了200℃下Ge的致密填充。(3)研究了室温PECVD法的射频功率对Ge沉积状态的影响,实现了30℃下Ge的沉积。(4)实验证明PECVD过程中,Ge在SiO2微球表面的生长方式为壳层包覆共形生长。 5、通过理论计算结合实验测试,系统研究了Ge反opal薄膜微观结构参数与宏观反射光学性能之间的关系。(1)系统研究了晶格常数a和填充率ff对Ge反opal反射光学性能的影响:随着a的增大,带隙反射峰的中心波长和半峰宽均增大。随着ff的增大,带隙反射峰的中心波长和半峰宽增大,band5-band9带反射峰的中心波长反射率增大。通过调节a和ff可有效的调节带隙反射峰位置、半峰宽和中心波长反射率。(2)研究了Ge反opal的变入射角反射光学性能:随着入射角度的增大,带隙发生蓝移,相应带隙反射峰的反射率降低。通过变角度反射光谱研究,证实了Ge反opal存在完全光子带隙。 6、研究了Ge反opal薄膜的透射光学性能。(1)实验表明Ge反opal的透射率随波长减小逐渐降低。Band5-band9带所在区域的整体透射率较低,通带与禁带在透射性能上的差异不明显。(2)针对通带透射率低的现象,结合微观结构分析了Ge反opal薄膜中的各种损耗,研究表明损耗主要包括:多晶体Ge导致的吸收损失;结构中的缺陷、不同晶粒取向和空气孔导致的散射损失;薄膜表面漫反射和折射率不同的多界面导致的反射损失。散射损失是反opal整体透射率低的主要原因。(3)研究了增透膜与Ge反opal薄膜复合后的透射光学性能。研究表明:单面镀膜提高了Ge反opal薄膜3~5μm的整体透射率,使带隙与通带的差异明显,对其反射光学性能不产生影响;双面镀膜导致带隙反射峰消失,对光子带隙效应产生不利影响。 7、采用毛细微模塑法制备得到两层SU-8木堆和两层PS木堆。采用低温PECVD法得到SU-8-Ge复合木堆;采用室温PECVD法得到PS-Ge复合木堆,烧结去除PS后,得到Ge空心木条有序阵列结构。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O484.41

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