1光子晶體的禁帶機理及不同結構晶體薄膜的制備和光學性質研究

2主要內容一、引言二、理論研究三、實驗制作和分析表征四、總結3

一、引言41、光子晶體概念；一、引言（1）

2、光子晶體基本特征；3、光子晶體的場方程；4、光子晶體的能帶；5、光子晶體的研究方法；6、光子晶體的制作方法和最新進展；7、光子晶體的應用。8、本研究的主要內容。51、光子晶體概念一、引言（1）

光子晶體：是折射率（或者說介電常數）周期變化的材料，這種周期性的變化要求傳輸的電磁波波長數量級相當。6一、引言（1）

2、光子晶體基本特征（1）帶隙特征：光子禁帶是指在一定頻率范圍內，任何偏振與傳播方向的光都被嚴格地禁止傳播。（2）光子局域：如果在光子晶體中引入某種程度的缺陷，將會在光子禁帶中引入新的電磁波模式，與缺陷態頻率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦其偏離缺陷處，光將迅速衰減。7一、引言（1）

3、光子晶體的場方程考慮空間無自由電荷和電流時，單色電磁波：8一、引言（1）

4、光子晶體的能帶光子晶體半導體結構不同介電常數介質的周期分布周期性勢場研究對象電磁波（光）在晶體中的傳播玻色子電子的輸運行為費米子本征方程本征矢電場強度、磁場強度：矢量波函數：標量特征光子禁帶在缺陷處的局域模式電子禁帶缺陷態能帶形成原因在不同介質分界面出電磁場相干散射的結果在不同勢場中電子波相干散射的結果尺度電磁波（光）波長原子尺寸9一、引言（1）

5、光子晶體的研究方法；目前主要的光子晶體的理論分析方法有：平面波展開法(PWM)、有限差分時域法(FDTD)、傳輸矩陣法(TMM)、散射矩陣法(SMM)和N階法(Order—N)等。10一、引言（1）

6、光子晶體的制作方法和最新進展

（1）物理方法稱為“由上到下（top-down）”的方法：傳統的機械加工方法、逐層疊加法、光束干涉法、雙(多)光子聚合技術，等等（2）化學自組裝方法為是“由下到上（bottom-up）”的方法：自然沉淀、電泳輔助沉淀、垂直沉淀等方法。。。11一、引言（1）

7、光子晶體的應用（1）光子晶體在光學方面的應用：光子晶體反射鏡、高效率發光二極管、低閾值的激光器、光子晶體諧振腔、光子晶體波導，等等（2）光子晶體在微波領域的應用：微波天線、微波光子晶體傳輸系統、光子晶體在微波電路中的應用，等等12一、引言（2）

理論研究：（1）用平面波展開法，對二維情況下TE模式和TM模式的波矢量進行了的表征，并對三維情況下的一般矩陣進行推導。用有限時域差分方法，對電磁場的分布規律和能帶分布進行分析。（2）分別設計了圓弓形和扇面形兩種新型散射元，通過禁帶計算，比較兩種散射元TE模式和TM模式禁帶的不同，其中扇面形又分成等角扇形和等邊扇形。8、本研究的主要內容：13一、引言（3）

8、本研究的主要內容：兩種方法實驗制作和分析表征：（3）合成SiO2微球和PS微球；（4）單一材料的光子晶體薄膜的制備和表征；（5）復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的制備和表征；（6）采用高阻抗的硅片，用微加工方法制作太赫茲頻域的光子晶體，并對其光學性能進行分析。

（材料/頻率/方法）14二、理論研究第二章平面波展開法和有限時域差分法及其應用第三章光子晶體散射元研究151、平面波展開法的二維形式及其應用（1）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用光子晶體介電常數的表述：（1）TM模式（2）TE模式圖2.1二維正方晶格結構的示意圖161、平面波展開法的二維形式及其應用（2）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用(a)(c)(b)(d)圖2.2正方格結構能帶圖（a）r=0.4a時的TE模式；（b）r=0.4a時的TM模式；c）r=0.3a時的TE模式；（d）r=0.3a時的TM模式能帶圖.(a)(b)(c)(d)圖2.4六邊形結構能帶圖（a）r=0.4a時的TE模式；（b）r=0.4a時的TM模式（c）r=0.3a時的TE模式；（d）r=0.3a時的TM模式能帶圖.結論：TE/TM不同，能帶不同；結構不同，能帶不同。172、平面波展開法的三維形式及其應用（1）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用182、平面波展開法的三維形式及其應用（2）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用計算反相FCC結構光子晶體的禁帶(b)(a)圖2.6(a)ε=3.6時圖2.5(a)結構的能帶圖;

(b)ε=11.9時圖2.5(a)的能帶圖。結論：三維結構禁帶形成較為困難。193、有限時域差分法及其應用（1）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用圖2.8Lee元胞示意圖203、有限時域差分法及其應用（2）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用用有限時域差分法設計光子晶體1×3分光器（b）（a）圖2.9（a）二維光子晶體TM模的光子禁帶結構，且光子晶體占據一個由空氣中圓柱形介質柱構成的四方晶格。介支柱的半徑和介電常數分別為r=0.3a和e=14。（b）和圖2.9（a）相對應的第一條禁帶的等頻曲線（EFCs）。213、有限時域差分法及其應用（3）一、平面波展開法和有限時域差分法及其應用用有限時域差分法設計光子晶體1×3分光器圖2.10當自準直光束沿

M方向傳播時，模擬TM模的穩定場分布。圖2.11當自準直光束沿

M方向傳播時，模擬TM模的穩定場分布。線缺陷的相應參數分別為r=0.25a和e=12,r=0.25a和e=10,r=0.25a和e=9。最后一條線缺陷是兩層的空氣。入射光束的頻率為0.192c/a。22二、理論研究第二章平面波展開法和有限時域差分法及其應用第三章光子晶體散射元研究231、散射元理論二、光子晶體散射元研究光子晶體介電常數的表述：對于TE模式有：對于TM模式有：現有散射元：《固體物理》中常見的結構。24二、光子晶體散射元研究2、圓弓形散射元（1）(c)(b)(a)圖3.1（a）圓弓形示意圖；（b）空氣中介質柱結構；（c）介質板上空氣孔結構

e=1-b/a

252、圓弓形散射元（2）---120m/90m/介質柱二、光子晶體散射元研究圖3.4（a）TE模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比；（b）TM模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比。結論：（1）參數e影響禁帶寬度；（2）TE/TM不同，禁帶不同。對于大于5%的光子禁帶，TE模式e的取值范圍為0.03-0.67，而TM模式的e的取值范圍卻在0.06-0.34。二者最大值也不同。26二、光子晶體散射元研究3、扇面形散射元（1）圖3.7（a）扇形示意圖，（b）等角扇形，（c）等邊扇形。27二、光子晶體散射元研究等角扇面形散射元

圖3.10（a）TE模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比；（b）TM模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比。3、扇面形散射元（2）結論：（1）參數k影響禁帶；（2）TE/TM不同，禁帶不同。高于5%的光子禁帶，TE模式k從0.12π開始，而TM模式的k從0.3π開始。禁帶寬度的峰值也不相同，TE模式的最大值是38.80%，而TM模式的最大值是18.02%。

28二、光子晶體散射元研究等邊扇面形散射元邊長a=b=kr

3、扇面形散射元（3）圖3.13（a）TE模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比；（b）TM模式的禁帶曲線，一條是禁帶絕對寬度曲線，另一條是相對于中心頻率的百分比。結論：（1）參數k影響禁帶，（2）TE/TM不同，禁帶不同。TE模式：高于5%的光子禁帶，a在

0.1r-r范圍內，禁帶寬度起伏加大，分別在中心頻率的17.50-47.66%之間。

a在

r-2r范圍內，禁帶寬度回落，分別在中心頻率的10.33-15.60%之間。

TM模式：a在0.3r-1.5r范圍內，禁帶寬度總體是增長的，從6.93%增加到24.37%。在a大于

1.5r后，禁帶寬度起伏不大，在中心頻率的22.49-24.73%之間。29三、實驗制作和分析表征第四章膠體微球合成和簡單膠體晶體制備第五章復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備第六章太赫茲波段光子晶體結構的制作301、

SiO2微球的合成---兩步法（1）氨水的影響一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（1）

圖4.1SiO2微球的SEM：(a)加入氨水的體積比為1.5%；(b)加入氨水的體積比為1.0%。結論：氨水5-7%311、

SiO2微球的合成---兩步法（2）正硅酸乙酯（TEOS

）的影響一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（2）

樣品初始的TEOS用量(ml)種子大小(nm)種子生長的TEOS用量(ml)成SiO2微球的大小(nm)13.381222021124.51453427732.717424378表4.1在合成種子和最終球粒時TEOS的用量以及種子和最終球粒的大小Table4.1TheTEOSamountsusedinthesynthesisofseedsandthefinalbeadsandthesizesofthem最終球粒大小可以通過初始種子大小計算得出，其中d1是初始種子的大小，d2是最終球粒的大小，V1開始形成種子時加入TEOS的量，V2是種子成長過程中加入的TEOS量。結論：正硅酸乙酯---決定微球大小。322、乳液聚合法合成PS微球一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（3）

圖4.4合成的PS微球，直徑分別為：(a)200nm,(b)490nm,(c)1000nm,(d)1320nm.結論：影響PS微球大小、單分散性的主要因素:（1）苯乙烯單體量的影響；（2）表面活性劑（SDS）的

影響；（3）二乙烯基苯（DVB）的影響。

333、垂直沉淀法制作膠體晶體(1)一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（4）

圖4.7單分散膠體微球的垂直沉積組裝示意圖圖4.8(a)，(b)分別為直徑為450nm的SiO2膠體自組裝在硅片上的兩個樣品的照片。結論：兩種微球都適應，球粒直徑小于2微米比較容易組裝。343、垂直沉淀法制作膠體晶體(2)一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（5）

圖4.9直徑為450nm的SiO2微球形成膠體晶體的SEM：(a)頂部低倍放大圖像；(b)頂部高倍放大圖像；(c)側面低倍放大圖像；(d)側面高倍放大圖像。圖4.10直徑為450nm的SiO2膠體晶體的反射譜。

理論990.6nm-----測試995nm354、水平沉淀法制作膠體晶體(1)一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（6）

圖4.11

水平沉積法的示意圖圖4.12(a)、(b)分別為直徑為495nmPS膠體自組裝在載玻片上的照片364、水平沉淀法制作膠體晶體(2)一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（7）

圖4.13直徑為495nm的PS微球形成膠體晶體的SEM：(a),(b),(c)分別是頂部不同放大倍數的圖像；(d)側面低倍放大圖像。結論：較適合PS微球，直徑可以達到10微米以上。374、水平沉淀法制作膠體晶體(3)一、膠體微球合成和簡單膠體晶體制備（8）

圖4.14(a)直徑為495nm的PS微球構成的膠體晶體的SEM；(b)直徑為495nm的PS膠體晶體的反射譜；(c)直徑為790nm的PS微球形成膠體晶體的SEM；(d)直徑為790nm的PS膠體晶體的反射譜。PS膠體晶體的透射譜中，晶體的Bragg峰位置在分別在1120nm和1890nm，非常接近理論計算值1180nm和1883nm。38三、實驗制作和分析表征第四章膠體微球合成和簡單膠體晶體制備第五章復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備第六章太赫茲波段光子晶體結構的制作391、一元膠體晶體反相結構的制作---520mPS微球二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（1）

圖5.3，不同次數SiO2前驅體滲透，并去除PS微球后的頂部圖像：(a)一次滲透,(b)二次滲透,(c)三次滲透，(d)四次滲透。402、二元膠體晶體反相結構的制作（1）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（2）

圖5.5(a)6個小球環繞1個大球的二元結構；(b)18個小球環繞1個大球的二元結構。圖5.6與圖5.5(a)相對應結構的能帶結構；(b)與5.5(b)相對應結構的能帶結構。412、二元膠體晶體反相結構的制作（2）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（3）

圖5.7(a)樣品1的高倍頂部視圖；(b)樣品2的高倍頂部視圖；

(c)樣品1的反相結構；(d)樣品2的反相結構。圖5.8(a)，5.7(c)結構對應的光譜;(b)樣品5.7(d)的透射光譜。結構中的禁帶主要與大球（直徑789nm)有關系，小球粒(直徑154nm)的分布不顯著影響結構禁帶的形成，盡管小球對結構的折射系數有貢獻。423、一元膠體晶體反相結構的制作（3）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（4）

圖5.9樣品的

SEM圖，(a)低放大倍數；

(b)高倍的頂部視圖；

(c)部分放大圖；(d)另一本部分的放大圖。圖5.10樣品5.9(a)的透射光譜有待研究：非密堆結構小球的排列。433、帶有人工缺陷光子晶體結構的制作（1）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（5）

圖5.11在蛋白石和反相蛋白石中嵌入面缺陷的過程示意圖圖5.12存在面缺陷的蛋白石及其反相結構的SEM照片：(a、b)嵌入單層225nm二氧化硅微球的20層560nmPS微球膠體晶體的低倍和高倍SEM圖。(c、d)反相蛋白石樣品的低、高放大倍數SEM圖。443、帶有人工缺陷光子晶體結構的制作（2）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（6）

圖5.13在20層PS球粒((1)380nm(2)560nm(3)655nm)內嵌有225nm二氧化硅球粒單層缺陷的蛋白石的光透射譜圖5.14反相蛋白石結構的光傳輸譜線。20層380nmPS球粒，嵌有一層225nmSiO2球粒。20層560nmPS球粒，嵌有一層225nmSiO2球粒。24層560nmPS球粒，嵌有一層585nmSiO2球粒。結論：1、紅移---（905，925），（1335，1360），（1561，1620）；

2、藍移---（704，630），（1037，980），（1037，1030）。453、帶有人工缺陷光子晶體結構的制作（3）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（7）

圖5.16有線缺陷的SEM圖像:(a)直線型線缺陷；

(b)彎曲型線缺陷；(c)線缺陷的側面圖；(d)樣品的頂部視圖。圖5.17直徑789nmPS微球制備蛋白石的反射譜：沒有線缺陷存在時的反射譜；(b)、(c)有線缺陷存在時的反射譜。結論：缺陷對結構有影響。46三、實驗制作和分析表征第四章膠體微球合成和簡單膠體晶體制備第五章復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備第六章太赫茲波段光子晶體結構的制作473、太赫茲波段光子晶體結構的制作（1）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（8）

圖6.2(a)俯視的掩模示意圖；(b)加工后的硅片單元。步驟：（1）硅片表面處理；（2）涂加增附劑；（4）曝光；（5）后烘；（6）顯影；（7）堅模；（8）圖形轉移；（9）去膠；（10）刻蝕硅片。483、太赫茲波段光子晶體結構的制作（2）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（9）

圖6.3電介質柱狀結構晶體的SEM圖片：(a)圓柱狀散射元光子晶體的低倍放大圖,(b)圓柱狀散射元光子晶體的高倍放大圖,(c)圓弓柱散射元狀光子晶體的低倍放大圖，(d)圓弓柱狀散射元光子晶體的高倍放大圖。493、太赫茲波段光子晶體結構的制作（3）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（10）

圖6.4介質板上空氣孔結構的SEM圖片：(a)圓柱孔散射元光子晶體,(b)圓弓孔散射元光子晶體的低倍放大圖,(c)圓弓孔散射元光子晶體的高倍放大圖，(d)圓弓柱孔散射元光子晶體波導圖。503、太赫茲波段光子晶體結構的制作（4）二、復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備（11）

圖6.5(a),(b),(c)分別為參數

e1=0.1,e2=0.2和e3=0.3時結構的反射譜。圖6.6(a),(b),(c)

分別為結構e3=0.3時，入射光和長軸成00角、300角、600角時的反射譜。結論：1、e增大，藍移---（33.75,37.61,39.54）；2、增大，藍移---（33.75,57.86,60.76）

。