2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：光子晶體的制備

光子晶體的制備

2光子晶體的制備光子晶體制備方法很多，研究最多是類(lèi)蛋白石結(jié)構(gòu)法和利用微電子加工技術(shù)法。3圖24是一個(gè)15級(jí)的分形結(jié)構(gòu)平面，在入射微波頻率為1－18GHz情況下的透射和反射特性。由于分形線(xiàn)在xy平面(即如圖所示的平面)取向的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故此分形板具有不同的極化取向。圖(a)和(b)是入射電磁波垂直于入射面時(shí)的透射和反射特性。由圖可知，電磁波在頻率為1.06，2.63和7.27GHz時(shí)，完全無(wú)法透過(guò)分形板。與之相應(yīng)，其反射同時(shí)也達(dá)到最大值。圖(c)和(d)是將分形板旋轉(zhuǎn)90°時(shí)的透射和反射特性。同樣可以看到有三個(gè)明顯的禁帶，但其頻率位置發(fā)生了變化。這是由于前面所提到的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)所致。4圖24平面分形結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波透射及反射譜電磁波在頻率為1.06，2.63和7.27GHz時(shí)，完全無(wú)法透過(guò)分形板，可以看到有三個(gè)明顯的禁帶。5分形結(jié)構(gòu)的逆圖形稱(chēng)為分形槽結(jié)構(gòu)，即原來(lái)的分形線(xiàn)由狹槽取代。利用這種結(jié)構(gòu)可以制備出紅外區(qū)域光子能隙結(jié)構(gòu)材料。分形槽采用光刻蝕的方法，在400μm的硅片上復(fù)制分形圖案，然后分別蒸鍍上5nm和100nm厚的Ti和Au金屬薄膜上形成“反分形”結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)波長(zhǎng)在2—200μm的紅外禁帶和通帶。亞波長(zhǎng)分形槽結(jié)構(gòu)具有紅外禁帶和通帶特性。即使狹縫的尺度比波長(zhǎng)小很多，在通帶范圍內(nèi)，其透射程度仍然相當(dāng)高。6圖25分形槽結(jié)構(gòu)及其紅外透射、反射和發(fā)射光譜(a)分形槽結(jié)構(gòu);(b)紅外透射、反射及發(fā)射譜;(c)分形槽的微波透射譜7微電子加工法主要包括激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、逐層刻蝕等先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)。微波波段的光子晶體由于其晶格常數(shù)在厘米至毫米量級(jí)，制作起來(lái)比較容易。亞微米和遠(yuǎn)紅外波段的光子晶體的制備則需要采用先進(jìn)的微電子技術(shù)。8在半導(dǎo)體材料上刻蝕出一定的孔洞結(jié)構(gòu)是早期光子晶體的制備方法。用化學(xué)輔助離子束刻蝕法可制得GaAs和GaAsP光子晶體，它們的光子帶隙都處于微波范圍。由于這種方法受到微電子技術(shù)的限制，很難制出復(fù)雜的、帶隙范圍在可見(jiàn)光區(qū)的三維結(jié)構(gòu)，它更多的被用在低維結(jié)構(gòu)的制備上。層層疊加技術(shù)是把多層一維結(jié)構(gòu)疊加成三維結(jié)構(gòu)，每四層相互重復(fù)。人們先后用二氧化硅、多晶硅等材料制得微波范圍內(nèi)的三維光子晶體。9利用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)雖然能夠制出比較滿(mǎn)意的光子晶體，但工藝復(fù)雜，造價(jià)昂貴，不利于大規(guī)模的光子晶體生產(chǎn)。雖然極力向更短波長(zhǎng)推進(jìn)，但由于受光的衍射極限和現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)水平的限制，這種方法在制備更小波長(zhǎng)尺度的三維光子晶體方面遇到極大的困難。10類(lèi)蛋白石結(jié)構(gòu)法蛋白石是一種天然的有無(wú)定型二氧化硅構(gòu)成的光子具體，具有不完全光子帶隙。受此啟發(fā)，人們希望用化學(xué)法制備出具有蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體。最早的蛋白石結(jié)構(gòu)是首先制得粒徑在200～800nm之間的單分散性二氧化硅微球，將微球乳液靜置，干燥后焙燒得到的。但這種結(jié)構(gòu)中兩種介質(zhì)(二氧化硅和空氣)的折射率比只有1.4，遠(yuǎn)低于完全光子帶隙要求值4。11為解決這一問(wèn)題，人們開(kāi)始在蛋白石結(jié)構(gòu)的孔隙中添入一些高介電常數(shù)的物質(zhì)來(lái)提高折射率比。在蛋白石結(jié)構(gòu)的孔隙中填充折射率為3.4的InP(占孔隙體積的4%，圖26)，從而使這種蛋白石結(jié)構(gòu)的布拉格折射增加了1.5～2倍。當(dāng)填充率達(dá)到一定值后，去除二氧化硅模板就得到反蛋白石結(jié)構(gòu)。1213用直徑1μm的二氧化硅微球?yàn)槟０宀⒂没?/p>