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光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄膜的制备和光学性质研究

万勇  
【摘要】: 光子晶体是不同介电系数的材料在空间周期性排列的结构。通过控制材料介电常数的周期性,一个给定波长、给定传播方向的电磁波可以被终止传播,这是光子晶体材料最重要的特性,即禁带特性。这一独特的性质,为光子晶体像半导体控制电子一样精确控制光子流动提供了可能性。有人预言,正如半导体研究导致了电子工业的革命一样,光子晶体可能代替半导体,成为信息承载和传输的媒体,导致再一次的技术革命。但是,由于光子晶体概念的出现,只有二十多年的历史,围绕着晶体禁带的形成,无论其理论机理,实际制作过程,还是材料光学性能测试等方面,都有一些具体问题有待深入研究。 本论文首先总结了光子晶体的基本概念和特征,在分析场方程和能带理论基础上,对电子晶体和光子晶体进行了比较,对光子晶体的研究方法进行了简单说明。在光子晶体制作方法方面,对“自上而下”的物理方法和“自下而上”的化学自组装方法都进行了总结,并对光子晶体在材料、结构和方法等方面的进展进行了详细说明。在光子晶体应用方面,着重介绍了光子晶体在红外、光波和微波等领域的应用。 本论文既有理论研究,又有实验制作和分析表征。在理论研究方面,主要分为两部分内容: 1、用平面波展开法,对二维情况下TE模式和TM模式的波矢量进行了的表征,以说明二者为什么会有不同;通过对三维情况下的一般矩阵进行推导,说明三维能带的复杂性;用有限时域差分方法,对电磁场的分布规律和能带分布进行分析。这一部分研究,不仅是对常用计算方法的推导和应用说明,更主要的是解决一个为什么会出现这样现象的问题。 2、光子晶体散射元研究:散射元是光子晶体的构成基本因素,目前研究中存在的问题有:很多二维光子晶体研究,没有按照TE模式或TM模式分开进行,关于不对称性散射元研究较少。本研究中,在给出散射元的基本理论和常见散射元的基础上,独立设计了两种新型的散射元---圆弓形和扇面形散射元。通过不同禁带结构的计算,比较出非完全对称情况下,TE模式和TM模式禁带的不同。结果表明,两种散射元不仅在光子禁带大小方面独具优势,而且可以方便调整光子晶体禁带的宽度和位置。 在具体制作和分析表征方面,也分为两部分内容: 1、近红外波段光子晶体制备和表征:这一部分包括“胶体微球合成和简单结构胶体晶体制备”及“复杂胶体结构和带有功能缺陷结构的晶体制备”两章,制备和表征的内容较多。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对单一组成材料的光子晶体薄膜的制备和表征;既有以一元的PS微球胶体晶体为模板、用Si02渗透,制作的反相的FCC结构的光子晶体,又有采用不同大小的PS球,制作的二元胶体晶体及其反相结构;既有用PS和SiO2微球制备的嵌有面缺陷的蛋白石及反相蛋白石,又有在PS微球胶体晶体中植入线缺陷的尝试。 2、太赫兹波段光子晶体的制备和表征:当球粒直径达到10多微米或者几十微米,光子晶体的禁带就进入了一个新的频域---太赫兹频域。但是,当组成基元直径在十、百微米级时,会对具体自组装方法提出新的要求。这时,一是用微加工方法制作太赫兹频域的光子晶体;二是结合自组装方法,在已经加工好的硅片上,尝试用大直径的PS微球,进行组装和表征。本文中对两种方式都进行了尝试。 最后,论文总结指出:光子晶体,特别是三维光子晶体,可能成为信息处理和通信等领域的新型功能材料。为了达到这一目的,有必要对光子晶体的理论进行深入研究和整合,使其更系统化。对于制作方法,化学自组装方法是制作三维光子晶体最经济、有效的方法,但是它也有自身的不足。要实现各种功能缺陷的三维光子晶体的制作,化学自组装方法需要结合其他方法才能实现缺陷的嵌入。而要实现太赫兹频域的光子晶体制作,依赖于深入研究自组装的机理、提高自组装的技术,以及化学方法和物理方法的融合。


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