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光子晶体用结构基元的制备、自组装与性能

谢荣国  
【摘要】:光子晶体由于具有独特的调节光子传播状态的功能,是光电集成、光子集成和光通信的基础材料。本论文主要研究了单分散SiO_2微球、SiO_2@CdS核壳微球和CdS空心球等光子晶体用结构基元的制备方法,采用多种自组装手段制备了SiO_2蛋白石和CdS反蛋白石光子晶体,结合理论计算研究了它们的光学性质,并建立了在光子晶体中引入可控缺陷的方法,最后研究了光子探针的制备及光学性质。论文的主要创新性结果如下: 1.制备了粒径范围涵盖广(150nm—1μm),相对标准偏差小于5.0%的SiO_2微球。以不同粒径的SiO_2微球为结构基元,采用重力沉积、离心沉积和垂直提拉沉积等自组装手段制备了可见波段蛋白石光子晶体。以表面具有微米级周期图案的硅片为衬底,采用垂直提拉法多次生长,在蛋白石光子晶体内部制备了可控的人工微缺陷。 2.建立了一种采用超声辅助化学水浴沉积制备SiO_2微球表面包覆CdS的核壳微球(定义为SiO_2@CdS)的新方法。该方法简单快捷,无需对SiO_2球表面化学改性,CdS壳层致密均匀且厚度可控,溶液中无游离CdS颗粒。采用稀释的HF酸将SiO_2@CdS核壳微球中的SiO_2内核择优腐蚀后,制备了单分散CdS空心球。所得CdS空心球具有较高折射率(n=2.45)和高空占比,粒径相对标准偏差小于5.0%,壳层厚度(10nm-60nm)可控,结构稳定,是一类新型的半导体基光子晶体结构基元。采用离心沉积法自组装,分别制备了由SiO_2@CdS核壳微球和CdS空心球组成的面心立方光子晶体。 3.建立了一种无模板直接制备CdS反蛋白石光子晶体的新方法。先将CdS空心球自组装成面心立方光子晶体,然后在400℃下热处理,使CdS空心球收缩,得到了具有高填充率的CdS反蛋白石光子晶体。该方法打破了采用蛋白石模板来制备反蛋白石光子晶体的传统,直接以高折射率材料为结构基元自组装制备三维光子晶体,避免了模板法中复杂的填充过程和破坏性的模板去除过程。微区反射光谱表明:由直径为400nm的CdS空心球组成的反蛋白石光子晶体在530nm和920nm附近存在两个[111]方向性带隙,与光子能带的理论计算结果相符。 4.建立了一种在CdS反蛋白石光子晶体制备可控点缺陷的新方法。在环境扫描电镜样品腔中引入一定压强(10Pa-100Pa)的气体,利用聚焦纳米电子束进行精密照射,实现了对CdS反蛋白石光子晶体中单个“原子”的精密控制,在反蛋白石光子晶体中可控制备了空位缺陷和杂质缺陷。研究了缺陷形成机


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