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.pdf

1、光子晶體是不同介電系數(shù)的材料在空間周期性排列的結構。通過控制材料介電常數(shù)的周期性，一個給定波長、給定傳播方向的電磁波可以被終止傳播，這是光子晶體材料最重要的特性，即禁帶特性。這一獨特的性質，為光子晶體像半導體控制電子一樣精確控制光子流動提供了可能性。有人預言，正如半導體研究導致了電子工業(yè)的革命一樣，光子晶體可能代替半導體，成為信息承載和傳輸?shù)拿襟w，導致再一次的技術革命。但是，由于光子晶體概念的出現(xiàn)，只有二十多年的歷史，圍繞著晶體禁帶的形

2、成，無論其理論機理，實際制作過程，還是材料光學性能測試等方面，都有一些具體問題有待深入研究。
　　 本論文首先總結了光子晶體的基本概念和特征，在分析場方程和能帶理論基礎上，對電子晶體和光子晶體進行了比較，對光子晶體的研究方法進行了簡單說明。在光子晶體制作方法方面，對“自上而下”的物理方法和“自下而上”的化學自組裝方法都進行了總結，并對光子晶體在材料、結構和方法等方面的進展進行了詳細說明。在光子晶體應用方面，著重介紹了光子晶體在紅

3、外、光波和微波等領域的應用。
　　 本論文既有理論研究，又有實驗制作和分析表征。在理論研究方面，主要分為兩部分內容：
　　 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，以說明二者為什么會有不同；通過對三維情況下的一般矩陣進行推導，說明三維能帶的復雜性；用有限時域差分方法，對電磁場的分布規(guī)律和能帶分布進行分析。這一部分研究，不僅是對常用計算方法的推導和應用說明，更主要的是解決一個為什么會出現(xiàn)這樣

4、現(xiàn)象的問題。
　　 2、光子晶體散射元研究：散射元是光子晶體的構成基本因素，目前研究中存在的問題有：很多二維光子晶體研究，沒有按照TE模式或TM模式分開進行，關于不對稱性散射元研究較少。本研究中，在給出散射元的基本理論和常見散射元的基礎上，獨立設計了兩種新型的散射元——圓弓形和扇面形散射元。通過不同禁帶結構的計算，比較出非完全對稱情況下，TE模式和TM模式禁帶的不同。結果表明，兩種散射元不僅在光子禁帶大小方面獨具優(yōu)勢，而且可以方

5、便調整光子晶體禁帶的寬度和位置。
　　 在具體制作和分析表征方面，也分為兩部分內容：
　　 1、近紅外波段光子晶體制備和表征：這一部分包括“膠體微球合成和簡單結構膠體晶體制備”及“復雜膠體結構和帶有功能缺陷結構的晶體制備”兩章，制備和表征的內容較多。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對單一組成材料的光子晶體薄膜的制備和表征；既有以一元的PS微球膠體晶體為模板、用SiO2滲透，制作的反相的

6、FCC結構的光子晶體，又有采用不同大小的PS球，制作的二元膠體晶體及其反相結構；既有用PS和SiO2微球制備的嵌有面缺陷的蛋白石及反相蛋白石，又有在PS微球膠體晶體中植入線缺陷的嘗試。
　　 2、太赫茲波段光子晶體的制備和表征：當球粒直徑達到10多微米或者幾十微米，光子晶體的禁帶就進入了一個新的頻域---太赫茲頻域。但是，當組成基元直徑在十、百微米級時，會對具體自組裝方法提出新的要求。這時，一是用微加工方法制作太赫茲頻域的光子晶

7、體;二是結合自組裝方法，在已經(jīng)加工好的硅片上，嘗試用大直徑的PS微球，進行組裝和表征。本文中對兩種方式都進行了嘗試。
　　 最后，論文總結指出：光子晶體，特別是三維光子晶體，可能成為信息處理和通信等領域的新型功能材料。為了達到這一目的，有必要對光子晶體的理論進行深入研究和整合，使其更系統(tǒng)化。對于制作方法，化學自組裝方法是制作三維光子晶體最經(jīng)濟、有效的方法，但是它也有自身的不足。要實現(xiàn)各種功能缺陷的三維光子晶體的制作，化學自組裝方