納米光子概念

半導(dǎo)體材料的光吸收，過程及原理半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能，具有數(shù)量級(jí)為105cm-1的吸收系數(shù)。本征吸收：光照后，電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收稱為本征吸收。光子能量滿足的條件：其中， 是發(fā)生本征吸收的最低頻率限，相應(yīng)的為長(zhǎng)波極限，稱為半導(dǎo)體的本征吸收限。本征吸收長(zhǎng)波限的公式：本征吸收：直接躍遷和間接躍遷。直接躍遷一一直接帶隙半導(dǎo)體電子吸收光子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底狀態(tài)。滿足能量守恒：滿足動(dòng)量守恒：光子動(dòng)量由于光子動(dòng)量遠(yuǎn)小于電子動(dòng)量所以k=k'即躍遷的過程中，電子的波矢（k）可以看作是不變的---電子躍遷的選擇定則。只有光子參與躍遷時(shí)，電子躍遷前后的波矢不變，電子初態(tài)和末態(tài)幾乎在一條豎直線上---直接躍遷。本征吸收形成一個(gè)連續(xù)吸收帶，并具有一長(zhǎng)波吸收限在直接躍遷中，對(duì)任何k值的躍遷都是允許的，則吸收系數(shù)與光子能量關(guān)系為：間接躍遷一一間接帶隙半導(dǎo)體電子吸收光子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底的過程中，這類半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。非直接躍遷是電子、光子和聲子共同參與的躍遷。Kk’尹EhEEEv=-=回電子能量差（）kkq'-=0回霍光子動(dòng)量其中，Ep為聲子的能量；q回為聲子的動(dòng)量。在非直接躍遷過程中，電子不僅吸收光子，同時(shí)還和晶格交換一定的振動(dòng)能量，即放出或吸收一個(gè)聲子，電子波矢k發(fā)生改變----間接躍遷。激子吸收光子能量hv<Eg，價(jià)電子由價(jià)帶向稍低于導(dǎo)帶底處的的能級(jí)的躍遷。電子■空穴的激子能級(jí)。價(jià)帶電子受激發(fā)后不足以進(jìn)入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫(kù)侖場(chǎng)作用。實(shí)際上，受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個(gè)新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。激子作為整體是電中性的，不形成電流，可以在晶體中運(yùn)動(dòng)一段距離后再?gòu)?fù)合湮滅，不顯示光電導(dǎo)現(xiàn)象。激子消失的途徑：通過熱激發(fā)或其它能量的激發(fā)，使激子分離成為自由電子或空穴；激子中的電子和空穴通過復(fù)合，使激子消滅而同時(shí)放出能量（發(fā)射光子或同時(shí)發(fā)射光子和聲子）激子吸收譜激子吸收譜必須在低溫時(shí)才能觀察到。第一個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)光子能量為，n值越大，激子能級(jí)準(zhǔn)連續(xù)，與本征吸收光譜合并。室溫下，激子吸收峰完全被抹掉自由載流子吸收對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，不足以引起電子從帶到帶的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增加。這是自由載流子在同一帶內(nèi)的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。與本征躍遷不同，自由載流子吸收中，電子從低能態(tài)到較高能態(tài)的躍遷是在同一能帶內(nèi)發(fā)生的。和本征吸收的非直接躍遷相似，電子的躍遷也必須伴隨著吸收或發(fā)射一個(gè)聲子。因?yàn)樽杂奢d流子吸收中所吸收的光子能量小于hv，一般是紅外吸收。p型Ge中發(fā)現(xiàn)三個(gè)自由載流子的吸收峰。p型GaAs中也有類似現(xiàn)象。雜質(zhì)吸收束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴也可以引起光的吸收。電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶能級(jí)；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷到價(jià)帶（或者說電子離開價(jià)帶填補(bǔ)了束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的空穴）這種光吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收也引起連續(xù)的吸收光譜。雜質(zhì)吸收一定在本征吸收限以外長(zhǎng)波方面形成吸收帶。雜質(zhì)能級(jí)越深，能引起雜質(zhì)吸收的光子能量也越大，吸收峰比較靠近本征吸收限晶格振動(dòng)吸收晶體吸收光譜的遠(yuǎn)紅外區(qū)，有時(shí)還發(fā)現(xiàn)一定的吸收帶，這是晶格振動(dòng)吸收形成的。在這種吸收中，子能量直接轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)動(dòng)能。對(duì)離子晶體或離子性較強(qiáng)的化合物，存在較強(qiáng)的晶格振動(dòng)吸收帶；在神化鎵及半導(dǎo)體鍺、硅中，也都觀察到了這種吸收帶。半導(dǎo)體的光電導(dǎo)光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象。本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。光生伏特效應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射非均勻半導(dǎo)體（p-n結(jié)等）時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)。半導(dǎo)體發(fā)光電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，伴隨著發(fā)射光子，這就是半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)，即半導(dǎo)體內(nèi)必須要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。1.表面等離子基元定義、性質(zhì)、激發(fā)方式定義：spp是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿āＰ再|(zhì)a.其場(chǎng)分布在沿著界面方向是高度局域的，是一個(gè)消逝波，且在金屬中場(chǎng)分布比在介質(zhì)中分布更集中，一般分布深度與波長(zhǎng)量級(jí)相同°b.在平行于表面的方向，場(chǎng)是可以傳播的，但是由于金屬的損耗存在，所以在傳播的過程中會(huì)有衰減存在，傳播距離有限°c.表面等離激元的色散曲線在自然光的右側(cè)，在相同頻率的情況下，其波矢量比光波矢量要大。激發(fā)方式：采用棱鏡耦合的方式、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（利用波導(dǎo)邊界處的消逝波激發(fā)表面等離子體波，使波導(dǎo)中的光場(chǎng)能量耦合到表面等離子體波中上采用衍射光柵結(jié)構(gòu)、采用強(qiáng)聚焦光束、采用近場(chǎng)激發(fā)、遠(yuǎn)場(chǎng)光直接激發(fā)局域表面等離子體振蕩）spp的色散關(guān)系為P=\寸罕2.如］+￡2，當(dāng)°-0時(shí)，￡20）一一8，則&罰%，此時(shí)色散曲線與光錐無限接近，場(chǎng)滲入電介質(zhì)中很多個(gè)波長(zhǎng)，這與索墨菲澤尼克掠入射波相似。而當(dāng)°增大時(shí)，￡2（?）變?yōu)閺?fù)數(shù)，由于SPP的束縛特性，色散曲線在光錐線的右側(cè)，并且在輻射場(chǎng)區(qū)域與束縛場(chǎng)區(qū)域中間的頻率處，&為純虛數(shù)，光不能傳播。當(dāng)°T°%時(shí)，&—8，這時(shí)群速VgT0，從而具有靜電場(chǎng)性質(zhì)。納米材料的特性，一些特殊的效應(yīng):三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料.零維納米材料：量子點(diǎn)，納米粒子；一維納米材料：如納米線、納米管、納米帶；二維納米材料：如單分子膜、納米膜層、量子阱。納米塊體（納米組裝體系，納米結(jié)構(gòu)宏觀量子現(xiàn)象及宏觀量子隧道效應(yīng)：宏觀領(lǐng)域出現(xiàn)的量子效應(yīng)稱為宏觀量子效應(yīng)，例如超導(dǎo)電流是由庫(kù)伯對(duì)產(chǎn)生的，其電流是2e的整數(shù)倍，再如BEC。宏觀量子效應(yīng)是由大量的微觀粒子形成的一類高度有序、長(zhǎng)程相干的狀態(tài)。大量粒子的整體運(yùn)動(dòng)，就如同其中一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)一樣，因?yàn)橐粋€(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)是量子化的，則這些大量粒子的運(yùn)動(dòng)可表現(xiàn)為宏觀的量子效應(yīng)。電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。量子尺寸效應(yīng)：介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。小尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或與）磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常的現(xiàn)表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米2,這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米2,這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。庫(kù)侖堵塞效應(yīng)庫(kù)侖堵塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代介觀領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一.當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米級(jí)，體系是電荷“量子化”的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需的能量Ec為e22C，體系越小，C越小，能量越大。這個(gè)能量稱為庫(kù)侖堵塞能。換句話說，庫(kù)侖堵塞能是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù)侖排斥能，這就導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸.通常把小體系這種單電子輸運(yùn)行為稱庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。 特殊的力學(xué)性質(zhì)納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力的作用下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3?5倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064°C，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27°C，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327°C左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670C，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100C。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1%?0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000C降低到1200?1300C，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)金屬被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。特殊的磁學(xué)性質(zhì)小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安/米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到2X10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6X10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。此外，超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等。4.石墨烯。C納米管基本特性1985年，英國(guó)Kroto等采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團(tuán)簇，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)C60和C70的新的譜線。C60具有高穩(wěn)定性的新奇結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)32面體，其中有20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形所構(gòu)成。純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體°E=V+F—2，E=90為棱數(shù)，V=60頂點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)=32面數(shù)。石墨烯具有特殊的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，強(qiáng)度強(qiáng)。石墨烯還有很好的光學(xué)性質(zhì)，它幾乎是透明的。石墨烯具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性，石墨烯中的電子具有類似相對(duì)論性電子的性質(zhì)。石墨烯在室溫下還有量子霍爾效應(yīng)，半導(dǎo)體在極低溫下才具有這種效應(yīng)。C60分子很穩(wěn)定，可抗輻射、抗化學(xué)腐蝕，但易于放出電子°C60和堿金屬形成的化合物具有超導(dǎo)性，是非常好的有機(jī)超導(dǎo)體。C60和C70溶液具有光限幅特性。晶體管，整流器，磁阻效應(yīng)。單分子氣體偵測(cè)，石墨烯納米帶，透明導(dǎo)電電極，超級(jí)電容器，石墨烯生物器件，抗菌物質(zhì)，“太空電梯”纜線，代替硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)，作人工光合作用高效催化劑，用于鋰離子電池技術(shù)，制作納米變壓器碳納米管（CNT）由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫、中空納米管.碳納米管是由多個(gè)碳原子六方點(diǎn)陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度為幾至幾十微米。碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。當(dāng)30度時(shí)，卷成扶手椅型碳納米管，指數(shù)（n,n）;0。時(shí)，卷成鋸齒型碳納米管，指數(shù)（n,0）;當(dāng)介于0°和30°之間時(shí)，卷成手性型碳納米管，指數(shù)（n,m）。碳納米管具有優(yōu)良的性能A）優(yōu)良的耐酸堿性能b）依賴直徑大小和螺旋性的金屬或半導(dǎo)體的特性c）超強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度和長(zhǎng)徑比d）碳納米管取向雜亂、相互纏繞，限制對(duì)其物理、化學(xué)性質(zhì)的研究和實(shí)際應(yīng)用e）具有極好的可彎折性f）具有極好的可扭曲性。強(qiáng)度比鋼高，比重比鋼?。痪哂袠O高的韌性。碳納米管可以制作成兩維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；原子力顯微鏡針尖，優(yōu)點(diǎn)：納米級(jí)直徑，高的長(zhǎng)徑比，高的機(jī)械柔軟性，電子特性確定；分辨率高，探測(cè)深度深，可進(jìn)行狹縫和深層次探測(cè)。傳感器優(yōu)點(diǎn)：超靈敏，應(yīng)用范圍廣，蛋白的生理活性的測(cè)定應(yīng)用：醫(yī)療方面對(duì)糖尿病的檢測(cè)。大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)線材。場(chǎng)發(fā)射顯示、儲(chǔ)氫和儲(chǔ)能、單電子晶體管、高能微型電池、高能電容器、計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)熱板高溫防護(hù)材料。潛在應(yīng)用分離分析技術(shù)。如：色譜填料，毛細(xì)管電泳，MALDI基質(zhì)，修飾電極等。材料技術(shù)。如：光導(dǎo)材料、復(fù)合材料，磁性材料等，微電子技術(shù)。分子級(jí)的催化劑。納米級(jí)反應(yīng)器，儀器的微型化當(dāng)碳納米管直徑遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)時(shí)，偏振方向垂直于碳納米管軸向的光子不會(huì)被碳納米管吸收，而偏振方向平行于碳納米管軸向的光子則會(huì)被吸收掉。因此，將碳納米管（或碳納米管線）沿一定方向排列起來，就可以構(gòu)成偏振片。5光子晶體基本概念定義、特性成因、概念：是一種介電常數(shù)周期性調(diào)制的微結(jié)構(gòu)材料，尺度為波長(zhǎng)量級(jí)；電子在周期場(chǎng)中傳播時(shí)，由于會(huì)受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射，會(huì)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，傳播是禁止的。電磁波在周期性電介質(zhì)材料中傳播時(shí)，由于受到調(diào)制而形成光子能帶結(jié)構(gòu)，頻率落在帶隙內(nèi)的電磁波不能通過介質(zhì)而被全部反射，即形成光子帶隙。光子帶隙:在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子晶體的范圍內(nèi)的某些方向上是禁止傳播的。完全帶隙：在一定頻率范圍內(nèi)，任何偏振與傳播方向的電磁波都能被嚴(yán)格禁止。這種情況只有在三維晶體中才能實(shí)現(xiàn)。特性成因：a抑制自發(fā)輻射：帶隙中密度為零，自發(fā)輻射幾乎為零，這也也抑制了自發(fā)輻射b光子局域化：當(dāng)光子晶體原有的對(duì)稱性遭到破壞時(shí)即有了缺陷，在光子晶體中禁帶就有可能出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)或局域態(tài)，與缺陷頻率符合的光子會(huì)被局域在缺陷位置，而不能向空間傳播。可能應(yīng)用：a無損波導(dǎo)b量子力學(xué)在新奇環(huán)境下光與物質(zhì)相互作用c微尺度設(shè)備的廣闊領(lǐng)域。用于制作光子晶體偏振器件、光子晶體微波天線、光子晶體棱鏡、光子晶體光纖光子晶體波導(dǎo)等在光通信光電集成方面與電子材料的區(qū)別：薛定諤方程-亥姆霍茲方程，半導(dǎo)體-光子晶體，原子周期排布-介電常數(shù)周期變化，原子尺度-波長(zhǎng)量級(jí)，自然結(jié)構(gòu)-人工結(jié)構(gòu)，控制電子移動(dòng)-控制電磁波傳播。自然界的光子晶體a蛋白石，含二氧化硅的地下水滲入巖縫沉積而成，沉積1cm的蛋白石約需500萬年。結(jié)構(gòu)：周期性六角（hexagonal）晶格排列，它幾何結(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，帶隙范圍與二氧化硅直徑及入射角有關(guān)。因蛋白石是由大小方向不一的光子晶粒組成的多光子晶系，

反射光因而呈現(xiàn)迷人的繽紛色彩。b蝴蝶翅膀排列整齊的亞微米結(jié)構(gòu)其選擇性反射日光c海老鼠的毛具有六角晶格結(jié)構(gòu)當(dāng)光線垂直入射時(shí)毛刺呈現(xiàn)紅色，隨入射角的偏離顏色越偏向藍(lán)綠色6微腔的品質(zhì)因子、精細(xì)度、自由譜寬度微腔：光學(xué)微腔是一種尺寸在微米量級(jí)或者亞微米量級(jí)的光學(xué)諧振腔，它利用在折射率不連續(xù)的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效應(yīng)，將光限制在一個(gè)很小的區(qū)域。由于腔體積的減小，腔內(nèi)通常只能支持一個(gè)或者幾個(gè)光學(xué)模式的諧振，因而置于腔內(nèi)的原子或者分子的自發(fā)輻射性質(zhì)會(huì)受到影響從而得到激光出射；最簡(jiǎn)單模型：C-J模型，即單模場(chǎng)與二原子能級(jí)作用；三種典型微腔：aF-P腔（Q不高，模式體積大）b回音壁模式微腔（軸對(duì)稱，全內(nèi)反射對(duì)光控制，Q很高，容易集成）c光子晶體微腔（引入缺陷Q高，模式體積?。?。微腔的三個(gè)重要參數(shù):模式體積大）b回音壁模式微腔（軸對(duì)稱，由波譜范圍△入依賴于腔長(zhǎng)。Eq1,m*1/2入jnd,m=2nd/入「Eq2（m-1）*1/2入2=（m-1）*1/2（A,△入）得到△入二入：，當(dāng)入*<2^時(shí)，△入e入：/2nd，d越小，△入越大。腔內(nèi)波為y=yexp(i(kx-wt)),x=0，t=0,kx-wt,傳播x距離時(shí)間t=kx/w=2nnx/wA =Tnx/入,t =T2nd/入=TA 2nd/入 2=TA /入 得到△入 /入=T/t.bddQ=湍ddQ=湍=r品質(zhì)因子QF=A?=d_A?=qA?.8?8?dd0 0一=2StoredEnergv=^ u品質(zhì)因子QF=A?=d_A?=qA?.8?8?dd0 0EnergyLostPerOptCycle du(t) r-Tr,Tdt=qT=2兀storedEnerg、模式體積v?tEnergyLostPerRoundTrip7提高傳統(tǒng)顯微鏡分辨率方法：理論公式：分辨率=0.61*光波長(zhǎng)/N.A.所以要提高分辨率就要用波長(zhǎng)更短的照明光，及增大物鏡的數(shù)值孔徑。提高分辨率的方法是增加數(shù)值孔徑NA，數(shù)值孔徑越大則顯微鏡分辨率越高。例如油浸物鏡，使數(shù)值孔徑增大到1.5左右，另一種做法是增大顯微鏡物鏡的孔徑角8，可以采用復(fù)合透鏡的方法，但用這種方法NA只能增大到0.95。遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)：共聚焦顯微鏡：是一種利用逐點(diǎn)照明和空間針孔調(diào)制來去除樣品非焦點(diǎn)平面的散射光的光學(xué)成像手段，相比于傳統(tǒng)成像方法可以提高光學(xué)分辨率和視覺對(duì)比度。原理：從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射的探測(cè)光通過透鏡聚焦到被觀測(cè)物體上，如果物體恰在焦點(diǎn)上，那么反射光通過原透鏡應(yīng)當(dāng)匯聚回到光源，這就是所謂的共聚焦，簡(jiǎn)稱共焦。共焦顯微鏡在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將已經(jīng)通過透鏡的反射光折向其它方向，在其焦點(diǎn)上有一個(gè)帶有針孔，小孔就位于焦點(diǎn)處，擋板后面是一個(gè)光電倍增管。探測(cè)光焦點(diǎn)前后的反射光通過這一套共焦系統(tǒng)，必不能聚焦到小孔上，會(huì)被擋板擋住。于是光度計(jì)測(cè)量的就是焦點(diǎn)處的反射光強(qiáng)度。其意義是：通過移動(dòng)透鏡系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)半透明的物體進(jìn)行三維掃描。雙光子顯微鏡：雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。 原理：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子，在經(jīng)過一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后，發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子；其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。而長(zhǎng)波穿透性較強(qiáng)，焦平面外的熒光分子不被激發(fā)使較多的激發(fā)光可以到達(dá)焦平面，使激發(fā)光可以穿透更深的標(biāo)本 。7.提高傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率：共焦：從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射的探測(cè)光通過透鏡聚焦到被觀測(cè)物體上，如果物體恰在焦點(diǎn)上，那么反射光通過原透鏡應(yīng)當(dāng)匯聚回到光源，這就是共聚焦。共焦顯微鏡在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將已經(jīng)通過透鏡的反射光折向其它方向，在其焦點(diǎn)上有一個(gè)帶有針孔的擋板，小孔就位于焦點(diǎn)處，擋板后面是一個(gè)光電倍增管。探測(cè)光焦點(diǎn)前后的反射光通過這一套共焦系統(tǒng)，必不能聚焦到小孔上，會(huì)被擋板擋住。于是光度計(jì)測(cè)量的就是焦點(diǎn)處的反射光強(qiáng)度。照明針孔與探測(cè)針孔相對(duì)于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點(diǎn)同時(shí)聚焦于照明針孔 和發(fā)射針孔，焦平面以外的點(diǎn)不會(huì)在探測(cè)針孔處成像，這樣得到的共聚焦圖像是標(biāo)本的光學(xué)橫斷面，提高了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率。 油浸（SIL）結(jié)合光子隧道（PTM）:高折射率（1.5-4）可使橫向分辨率可達(dá)200nm，隧道效應(yīng)提高縱向分辨率。數(shù)值孔徑增強(qiáng)（NAIL）相當(dāng)于半個(gè)SIL,有亞表面成像能力4倍于硅透鏡，分辨率120nm.表面等離子體共振SPR;光柵激發(fā)，分辨率3微米，對(duì)膜厚度及折射率敏感。液體浸潤(rùn)方式，分辨率小于1微米，透過焦點(diǎn)不同方向的分辨率不均勻。SNOM:分辨率約為50nm,可做三維掃描無孔SNOM:極端尖的電介質(zhì)，半導(dǎo)體或金屬作為瑞利散射探針，通過針尖與樣品的作用產(chǎn)生局域擾動(dòng)，激發(fā)到遠(yuǎn)場(chǎng).分辨率約1nmSPNM:在光柵-銀-空氣界面激發(fā)Sp模式，反射信號(hào)減小，但STM尖的擾動(dòng)增強(qiáng)了反射信號(hào)，分辨率約為3nm。SNEM:AFM與nullingellipsometer的結(jié)合，達(dá)到納米量級(jí)分辨率掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡中的鏡頭被細(xì)小的光學(xué)探針?biāo)?，其尖端的孔徑遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng).當(dāng)把這樣的亞波長(zhǎng)光孔放置在距離物體表面一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi) ，即近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，可以探測(cè)到豐富的亞微米光學(xué)信息，而這些精細(xì)結(jié)構(gòu)信息僅僅存在于表面的非輻射場(chǎng)內(nèi)。近場(chǎng)探測(cè)原理近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)是由一系列轉(zhuǎn)換完成的：（1）當(dāng)用傳播波或倏逝波波照射高空間頻率的物體時(shí)，將產(chǎn)生倏逝波；（2）這樣產(chǎn)生的倏逝波不服從瑞利判據(jù)。這些場(chǎng)在遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)的尺度的局部范圍內(nèi)有很大的變化 ：⑶根據(jù)互易原理，這些不可探測(cè)的高頻局域場(chǎng)可以通過微小物體的轉(zhuǎn)換而將這個(gè)倏逝場(chǎng)轉(zhuǎn)換為新的倏逝場(chǎng)以及傳播場(chǎng) ；（4）傳播場(chǎng)被適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)距離探頭所記錄。在這里，由倏逝場(chǎng)到傳播場(chǎng)的轉(zhuǎn)換是線性的，即探測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)與相應(yīng)的倏逝場(chǎng)中的 Poynting矢量成比例，因此探頭獲得的信息準(zhǔn)確反映精細(xì)結(jié)構(gòu)的局部變化 ，當(dāng)用一個(gè)微小物體（如光纖探針的尖端）進(jìn)行平面掃描時(shí)，就可以得到二維圖像。綜上所述，由傳播場(chǎng)到隱失場(chǎng)的轉(zhuǎn)換是通過衍射或繞射機(jī)制實(shí)現(xiàn)的 ，反之亦然。這樣的逆轉(zhuǎn)換相應(yīng)于光子的隧道效應(yīng)工作原理（1）探針：與STM中的金屬探針和AFM的懸臂探針不同的是，SNOM采用介電材料探針，可以發(fā)射或接受光子，尖端尺度在10?100nm，以能夠?qū)⑹占降墓庾觽魉偷教綔y(cè)器，探針可用拉細(xì)的錐形光纖，四方玻璃尖端，石英晶體等制成，探針的核心問題是小尺度和高的光通過率。 （2）信息探測(cè)：由于光子信息均來自于納米尺度區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度一般很低（?nw/cm2），因而需經(jīng)光電倍增管、光二極管、光子計(jì)數(shù)或電荷耦合器件（CCD）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而放大，同時(shí)利用調(diào)制-鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，以提高信噪比。（3）探針-樣品間距控制：理想的調(diào)控方法應(yīng)當(dāng)是與光信號(hào)的探測(cè)完全獨(dú)立的機(jī)制，以使待測(cè)信號(hào)不受干擾，避免引入復(fù)雜性。而實(shí)際方案中則難于避免這一問題，目前常用的方法有：i）隱失場(chǎng)調(diào)控：利用隱失場(chǎng)強(qiáng)度隨z增加而指數(shù)下降關(guān)系，將探針放入隱失場(chǎng)里，控制范圍0?lambda/（30?40），這種方法中，探測(cè)光信號(hào)與調(diào)控信號(hào)有較強(qiáng)相互影響。ii）切變力調(diào)控：當(dāng)以本征頻率振蕩的探針靠近樣品表面時(shí)（<50nm），由于振蕩的針尖與樣品間作用力，其振蕩幅度及相位均會(huì)有較大變化，利用這個(gè)變化可以將探針控制在z=5?20nm范圍，比較成熟的方案有切變力調(diào)控方式，雙束干涉，共振音叉和超聲共振方式等。應(yīng)用1單分子觀測(cè)2生物結(jié)構(gòu)的熒光觀測(cè)結(jié)合熒光標(biāo)示技術(shù)和熒光光譜3量子結(jié)構(gòu)的熒光光譜診斷利用相應(yīng)的低溫裝置， 具有更精細(xì)的譜結(jié)構(gòu)特性4磁光介質(zhì)光存儲(chǔ)5微加工和光子印刷術(shù)6半導(dǎo)體及光電介質(zhì)中的缺陷結(jié)構(gòu)與折射率分布分析光刻過程氣體相成底模處理，旋轉(zhuǎn)涂膠，軟烘，對(duì)準(zhǔn)和曝光，曝光后烘焙，顯影，顯影檢查，堅(jiān)膜烘焙 正負(fù)光刻膠的特點(diǎn)：根據(jù)曝光前后光刻膠膜溶解性質(zhì)的變化又可分為正型光刻膠和負(fù)型光刻膠 ，曝光后溶解度增大的為正型光刻膠，溶解度減小的為負(fù)型光刻膠.劃分光刻膠的一個(gè)基本的類別是它的極性.正性膠的分辨力往往是最好的，因此IC制造中的應(yīng)用更為普及，但MEMS系統(tǒng)中，由于加工.要求相對(duì)較低，光刻膠需求量大，負(fù)性膠仍有應(yīng)用市場(chǎng).常用的負(fù)性膠都是基于主鏈和下垂的從鏈之間的十字鏈接加強(qiáng)使曝光后膠不可溶的原理 .負(fù)性膠的一個(gè)缺點(diǎn)；曝光必須在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行；負(fù)性膠的另一缺點(diǎn)是膠膜厚度受到限制，因?yàn)槭宙溄臃磻?yīng)過程發(fā)生在光最先到達(dá)的薄膜表面 .需要過曝光以保證基體表面的膠不可溶，膠要求的厚度越厚，完成聚合反應(yīng)需要的劑量就越多，散射的機(jī)會(huì)就越大.散射反過來又降低可獲得的分辨力。 正負(fù)光刻膠比較1曝光顯影過程不同，正性膠在曝光區(qū)間顯影，負(fù)性膠則相反；2負(fù)性膠和正性膠邊界漫射光形成的輪廓不同.負(fù)性膠由于曝光區(qū)間得到保留，漫射形成的輪廓使顯影后的圖象為上寬下窄的圖像；而正性膠相反，為下寬上窄的圖像；3正膠溶于強(qiáng)堿，顯影劑采用中型堿溶液，而負(fù)性膠多采用有機(jī)溶液，如二甲苯溶液4加工中可獲得的特定幾何圖形不同，用負(fù)性膠可輕易獲得孤立的單根線，而正性膠可輕易獲得孤立的洞和槽 5負(fù)性膠成本低，正性膠昂貴6負(fù)性膠采用有機(jī)溶液處理，對(duì)生態(tài)環(huán)境不利，而正性膠采用水溶液，受環(huán)保人士歡迎7）負(fù)性膠相對(duì)于正性膠分辨力較低。超材料概念具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu) .性質(zhì)：通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；具有超常的物理性質(zhì)，往往是自然界的材料所不具備的；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)。 應(yīng)用：導(dǎo)波，色散補(bǔ)償，小尺寸天線抗反射和高反射涂層，光束整形，超透鏡。光刻的分類及特點(diǎn)光學(xué)光刻光學(xué)光刻的分辨率決定了芯片上單個(gè)器件的最小尺度 ，數(shù)值孔徑NA的不斷增大已經(jīng)給光刻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工帶來相當(dāng)大的難度，特別NA大0.6以后，每增0.05,設(shè)計(jì)和加工的難度就要增加一倍或更多.因此縮短曝光波長(zhǎng)是提高光刻分辨率的最有效途徑 .波長(zhǎng)越短，數(shù)值孔徑NA越大，投影光刻系統(tǒng)的焦深就越小.投影光刻系統(tǒng)分辨率的提高是以犧牲焦深為代價(jià)，焦深的減小意味著對(duì)硅片表面平整度的要求更加苛刻。 當(dāng)焦深接近或小于硅片表面平整度時(shí)，將使得曝光的均勻性降低，難以在硅片上刻出清晰的圖形，從而降低光刻質(zhì)量.這給大面積超薄晶圓的加工增加了額外難度，而采用大面積晶圓是增加產(chǎn)能降低成本的主要途徑之一 .因此焦深成為限制對(duì)越來越細(xì)的器件圖形在大面積范圍內(nèi)進(jìn) 行光學(xué)光刻的主要因素極紫外光刻EUVL極紫外光刻采用波長(zhǎng)為10-14nm的極紫外光作為曝光光源.該波段的光在光學(xué)材料中的吸收強(qiáng)烈，其光學(xué)系統(tǒng)必須采用反射形式.EUVL與以前的所有光學(xué)光刻都很不相同，由于波長(zhǎng)為的極紫外光在材料中的強(qiáng)烈吸收，在它的聚光和成像光學(xué)系統(tǒng)中采用了一系列共振反射器 ，這EUVL光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)很大的限制X射線光刻射線的波長(zhǎng)很短0.1nm-50nm曝光時(shí)通過掩模后的衍射和散射幾乎可以忽略，可獲得較高分辨率的圖形.產(chǎn)生X射線普遍采用的是昂貴的同步輻X射線源，這限制X射線光刻大規(guī)模的推廣和使用。由于 X射線穿透力很強(qiáng)，目前多數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)不能對(duì)它進(jìn)行反射或折射，因此多采用接近式曝光.掩模版的制作也X射線接近式光刻的關(guān)鍵工藝，由于接近式曝光采用的是1:1的掩模圖形，即掩模版的圖形和傳遞到芯片上的圖形大小一樣，因此這