微納光電材料及器件課件

1、第八章 微納光電材料及器件8.1 納米光電材料及器件納米材料是一種粒子尺寸在0.1到100nm的材料。納米光電材料是指能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能等其它能量的一種納米材料。其中最重要的一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。其原理如下： 納米材料大致可分為納米粉末、一維納米材料、納米膜等。 納米粉：又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中問物態(tài)的固體顆粒材料。 一維納米材料：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。分為納米線和納米管。 納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納

2、米級的薄膜納米光電材料的性能:小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)納米光電器件量子點(diǎn)光電器件量子點(diǎn)太陽能電池量子點(diǎn)發(fā)光二極管量子點(diǎn)激光器納米線光電器件 光子晶體指介電常數(shù)(或折射率)周期性變化的一類物質(zhì)，英文Photonic Crystal，簡稱PC 。1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自發(fā)輻射和光子局域時分別提出光子晶體這一新概念。 1991年，Yablonovitch在實(shí)驗室中人工制造了第一塊被認(rèn)為具有完全禁帶的三維光子晶體。8.2 光子晶體及光子晶體器件光子晶體（photonic crystal） 是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料，其最根本的特征

3、是具有光子禁帶。 光子晶體圖示 光子晶體概念的產(chǎn)生： 眾所周知，很多的研究都是起源于對自然界不同領(lǐng)域存在類似現(xiàn)象的假設(shè)開始的。因為宇宙萬物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則卻是有著高度一致性。 科學(xué)家們在假設(shè)光子也可以具有類似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的 晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，這種周期勢場的存在，使運(yùn)動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。 相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動。 光子晶體概

4、念的產(chǎn)生： 到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不約而同地指出：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段的電磁波強(qiáng)度會因破 壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當(dāng)于在頻譜上形成能隙，于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，此即所謂的光子能帶結(jié)構(gòu)(photonic band structures)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)(photonic band-gap system， 簡稱PBG系統(tǒng))，或簡稱光子晶體(photonic crystals)。自然界中的光子晶體： 光子晶體雖然是個新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質(zhì)的物

5、質(zhì)。自然界中的光子晶體 盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)， 而是因為它幾何結(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲。在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果. 翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶 2003年ANDREW R. PARKER等發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部森林的甲蟲（Pachyrhynchus argus），它的外殼分布有和蛋白石一樣的光子

6、晶體結(jié)構(gòu)類似物，其具有從任何方向都可見的金屬色澤。 這種棲息于大陸棚上有著刺毛的低等海生無脊椎動物海毛蟲(sea mouse)具有引人矚目的虹彩。此種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀構(gòu)造物,其具有與光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)-一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮明色彩 固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如右圖光子電子服從方程麥克斯韋（Maxwell）方程薛定諤方程對應(yīng)波矢量波標(biāo)量波自旋自旋為1的玻色子自旋為1/2的費(fèi)米子相互

7、作用沒有很強(qiáng)第一個功敗垂成的三維光子晶體 遺憾的是，理論學(xué)家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性(symmetry)之故， 在W和U兩個方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻率范圍內(nèi)的能態(tài)數(shù)目相對較少，因此只具有虛能隙(pseudo gap) 1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實(shí)驗上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在。實(shí)驗中采用的周期性介電系統(tǒng)是Al2O3塊材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式鉆了將近八千個球狀空洞，如此形成一個人造的巨觀晶體。 三氧化二鋁和空氣的介電常數(shù)分別為12.5和1.0，面心立方體的晶格常數(shù)是1.27。根據(jù)實(shí)驗量得的

8、透射頻譜，所對應(yīng)的三維能帶結(jié)構(gòu)右圖所 示： 最初光子晶體的人工制備： 兩年之后，Yablonovitch等人卷土重來， 這回他們調(diào)整制作方式，在塊材上沿三個夾120度角的軸鉆洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如右圖)， 終于打破了對稱的束縛，在微波波段獲得真正的絕對能隙，證實(shí)該系統(tǒng)為一個光子絕緣體(photonic insulator)。第一個具有絕對能隙的光子晶體，及其經(jīng)過特別設(shè)計的制作方式基本特性光子晶體通常具有:光子禁帶結(jié)構(gòu)、異常色散和抑制原子的自發(fā)輻射的特點(diǎn)左手材料光子晶體器件光子晶體的這些特性可用于光纖通訊、微波器件、光路集成、光開關(guān)、濾波器件等方面。目前，市場上已經(jīng)有基

9、于光子晶體的光纖和波分復(fù)用器件產(chǎn)品。光子晶體光纖光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。特點(diǎn)：1.實(shí)現(xiàn)大功率單模激光傳輸；.2. 寬波段的單模性質(zhì)3. 具有良好的色散性質(zhì)4. 高的雙折射特性5.可以實(shí)現(xiàn)多芯傳輸 大模場晶體光纖多模晶體光纖多模大數(shù)值孔徑晶體光纖高非線性晶體光纖保偏非線性晶體光纖 不同波長的光穿過光纖纖芯的速度也不同。考慮長距傳輸時，在信號中就將出現(xiàn)時間延遲，所以信號就需要在不同的波長編碼。光纖 纖芯越粗延遲越厲害，通

10、過這樣的纖維的一個光脈沖變寬，必將限制能精確接收的數(shù)據(jù)率。傳統(tǒng)光纖的缺點(diǎn) 解決的方法還有一種就是采用單模光纖，即盡量減少光纖纖芯的直徑，從而可以只允許一個模式的光路通過，從而避免上述問題。但同時成本將大大提高。光子晶體光纖 光子晶體帶隙保證了能量基本無損失，而且不會出現(xiàn)延遲等現(xiàn)象。英國Bath 大學(xué)的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖：由幾百個傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后燒結(jié)從而形成蜂窩結(jié)構(gòu)亞微米空氣孔。引入額外空氣孔做為導(dǎo)光通道，可導(dǎo)波的范圍很大，從而增加數(shù)據(jù)傳輸量。如圖是目前英國斯溫頓Bath大學(xué)的實(shí)驗性光子晶體光纖實(shí)物圖和傳輸效果圖。(a)普通光纖, (

11、b)-(c)光子晶體光纖利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在芯層形成的缺陷中存在和傳播。能量傳輸基本無損失，也不會出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸。 一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過周圍介質(zhì)的無數(shù)次的反射 ，大部分光不能有效地耦合出去， 二極管的光輻射效率很低 。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心置入一塊特制的光子晶體中，并使得該發(fā)光中心 的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體 的光子禁帶重合 ，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會進(jìn)入包圍它的光子晶體中，而只能沿著特定設(shè)計的方向輻射并傳導(dǎo)出去。實(shí)驗表明，采用光子晶體后 ，發(fā)光二極管的效率會從目前的1 0左右提高到

12、 9 0 以上 。 光子晶體發(fā)光二極管左邊是傳統(tǒng)的 LED結(jié)構(gòu)，可以看到它的全反射，現(xiàn)有的 LED臨界度是比較小的，相對的，光子晶體藍(lán)色 LED所設(shè)計出來的 LED，由于衍射的關(guān)系，可以修正光的角度，修正后的光可以可進(jìn)入臨界角投射到外面，改善過去 LED的光會全部反射的問題。 在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨(dú)特設(shè)計，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。光子晶體 LED的效率比一般的 LED高出 50。(a) top xiew of PhC blue LED(b)Cross-section view of 2-D PhC日本松下電器第一個將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)色LED傳統(tǒng)激光器的缺點(diǎn)

13、發(fā)射波長的變化會改變傳輸損耗耦合效率不高輻射角比較大 隨功率的增加線寬趨于飽和， 并重新展寬激光發(fā)射器 但如果在一塊三維光子晶體的光子禁帶中引入缺陷，然后在其中放置工作物質(zhì)，缺陷態(tài)將構(gòu)成一個波導(dǎo)，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较颍瑯幼园l(fā)輻射也只能沿此方向，即自發(fā)輻射與激光出射方向角幾乎為零。這樣幾乎所有的自發(fā)輻射都用來激發(fā)已實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)而無其他損失。泵浦的能量幾乎全部用來產(chǎn)生激光， 這使激光器閾值降低，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。這種激光器體積小、 閾值低， 功率高、 易于光纖耦合， 且可在小區(qū)域密集分布的。出現(xiàn)在能隙中的缺陷態(tài)光子晶體激光器頂部和剖面示意圖 1 9 9 9年， 美國加州理工學(xué)

14、院謝勒( AS c h e r e r ) 領(lǐng)導(dǎo)的研究組首次報道了可在室溫下工作且運(yùn)轉(zhuǎn)在 1 5 5 0納米的光子晶體激光器。什么是超材料？8.3 超材料及相關(guān)器件超材料的三個重要特征超材料通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料； 超材料具有超常的物理性質(zhì)（往往是自然界的材料中所不具備的）；超材料性質(zhì)往往不主要決定于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。 負(fù)折射率的預(yù)言那么折射率就有正負(fù)兩個根：我們習(xí)慣上舍棄負(fù)根，只保留正根。什么情況下折射率才取負(fù)值？定義帶入第三和第四式，得 按照定義，E, H 和單位矢量 成右手系，所以以上兩式左邊系數(shù)必皆為正，即要求折射率n和介電常數(shù) 、磁導(dǎo)率 同號。Ve

15、selago在1967年預(yù)言了負(fù)折射率的存在。 由于在此介質(zhì)中，電場、磁場和波矢成左手系，所以，負(fù)折射率介質(zhì)又稱左手介質(zhì)，相應(yīng)地，正折射率介質(zhì)被稱為右手介質(zhì)。負(fù)折射率材料中，能流方向和相速度方向相反。自然界中的材料 負(fù)折射率反常Doppler效應(yīng)聲波的Doppler效應(yīng)。在正常材料中，波源和觀察者如果發(fā)生相對移動，會出現(xiàn)Doppler效應(yīng)：兩者相向而行，觀察者接收到的頻率會升高，反之會降低。但在負(fù)群速度材料中正好相反，因為能量傳播的方向和相位傳播的方向正好相反，所以如果二者相向而行，觀察者接收到的頻率會降低，反之則會升高，從而出現(xiàn)反常Doppler頻移。 超音速在真空中，勻速運(yùn)動的帶電粒子不會輻射電磁波。在介質(zhì)中，當(dāng)帶電粒子勻速運(yùn)動時會在其周圍引起誘導(dǎo)電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。當(dāng)粒子速度超過介質(zhì)中光速時，這些次波互相干涉，從而