微納光學(xué)加工及應(yīng)用

1、微納光學(xué)加工及應(yīng)用微納光學(xué)加工及應(yīng)用20144214004 孫奇一、 微納光學(xué)結(jié)構(gòu)光是一種電磁波，是由同相相互垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)而形成的，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)所構(gòu)成的平面，電磁波能有效的傳遞能量和動(dòng)量1。從低頻到高頻，電磁波可以分為：無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外光、X射線(xiàn)和射線(xiàn)等，人眼可見(jiàn)波長(zhǎng)在380nm至780nm之間，如圖1所示。(a)(b)圖1. (a) 電磁波傳播方式 (b) 電磁波按頻率分段圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）傳統(tǒng)光學(xué)只研究可見(jiàn)光與物質(zhì)的相互作用，而現(xiàn)代光學(xué)已擴(kuò)展到對(duì)全波段電磁波的研究。隨著微加工技術(shù)的日臻成熟，電磁波在微納結(jié)構(gòu)中的傳播，散射和吸收等性

2、質(zhì)開(kāi)始逐漸被人們研究。1987年，Yabnolovich和John首次提出了光子晶體的概念2, 3；1998年，Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)在打了周期性亞波長(zhǎng)納米空洞的厚金屬膜上存在著超強(qiáng)的光投射峰，這一發(fā)現(xiàn)激起了對(duì)金屬周期結(jié)構(gòu)中表面等離激元的研究熱潮4。從1987年至今，各領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)微納結(jié)構(gòu)的研究一直在迅猛發(fā)展。1.1 光子晶體從固體物理的概念中可以得知，當(dāng)電子在周期性的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射的作用形成了電子的能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)電子的能帶與能帶之間在一定的晶格條件下將存在帶隙。在帶隙能量范圍內(nèi)的電子其傳播是被禁止的。運(yùn)動(dòng)的電子實(shí)際上也是一種物質(zhì)波。無(wú)論何種波動(dòng)形式，只要其受到

3、相應(yīng)周期性的調(diào)制，都將有類(lèi)似于電子的能帶結(jié)構(gòu)同樣也都可能出現(xiàn)禁止相應(yīng)頻率傳播的帶隙。微納光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)是指通過(guò)在材料中引入微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)功能器件。1987年，Yabnolovitch和 John在討論如何抑制原子的自發(fā)輻射和光子局域的問(wèn)題時(shí)，把電子的能帶概念拓展到光學(xué)中，提出了光子晶體的概念。光子晶體就是規(guī)律性的三維微結(jié)構(gòu)，其周期遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，形成光子禁帶，通過(guò)引入局部缺陷，控制光的傳播與分束。同樣的，固體物理晶格中的許多概念都可以類(lèi)似的運(yùn)用到光子晶體中，諸如倒格矢空間、布里淵區(qū)、色散關(guān)系、Bloch函數(shù)、Van Hove奇點(diǎn)等物理概念。由于周期性，對(duì)光子也可以定義有效質(zhì)量。不過(guò)需要指

4、出的是，光子晶體與固體晶格有相似處，也有本質(zhì)的區(qū)別。如光子服從的是麥克斯韋方程，電子則服從薛定諤方程；光子是矢量波而電子是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，而光子是自旋為1的波色子，等等。根據(jù)空間的周期性分布的不同，光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖2所示。一維光子晶體的材料一般在一個(gè)方向上進(jìn)行周期排列，例如傳統(tǒng)的多層薄膜結(jié)構(gòu)；二維光子晶體表現(xiàn)為材料在平面上進(jìn)行周期性排列；三維光子晶體具有多種材料排列方式，最為經(jīng)典的則為圖所示的柴堆結(jié)構(gòu)。圖2. 一維、二維以及三維光子晶體示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）光在光子晶體中傳播時(shí)會(huì)受到材料周期性調(diào)制而形成光子帶隙，從而禁止頻率落在帶隙內(nèi)的光在晶體

5、中傳播，因此由光子晶體做成的器件可以如愿地控制光子運(yùn)動(dòng)。光子晶體對(duì)光的調(diào)控作用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。首先，光子晶體具有光子帶隙。頻率落在帶隙中的電磁波將禁止在晶體中傳播。光子帶隙有完全帶隙和不完全帶隙之分：完全光子帶隙就是全方位光子帶隙，即一定頻率范圍內(nèi)的光波無(wú)論其偏振方向或傳播方向如何都被禁止傳播，如圖3所示；不完全光子帶隙則只能在特定方向上禁止光的傳播。圖3. 三維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖（插圖為柴堆結(jié)構(gòu)的三維光子晶體掃描電鏡照片5）其次，光子局域是光子晶體的另一個(gè)基本特征。當(dāng)向光子晶體中引入缺陷或雜質(zhì)時(shí)，光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)缺陷態(tài)，與缺陷態(tài)頻率吻合的光子會(huì)被局限在缺陷位置。Einstein在

6、1905年提出的自發(fā)輻射對(duì)許多多物理過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用有著重要的影響。在二十世紀(jì)八十年代以前，人們一直認(rèn)為自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)的自然現(xiàn)象，是不能控制的。而今，通過(guò)引入結(jié)構(gòu)缺陷，利用光子帶隙中出現(xiàn)的態(tài)密度很高的缺陷態(tài)，就可以控制發(fā)光物質(zhì)的自發(fā)輻射6，如圖4所示為三維光子晶體缺陷態(tài)增強(qiáng)半導(dǎo)體GaInAsP自發(fā)輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果7。當(dāng)引入點(diǎn)缺陷時(shí)，光將被局限在某個(gè)特定位置，還可以形成高品質(zhì)的光學(xué)微腔8，如圖5為二維光子晶體中高品質(zhì)因子微腔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果9；當(dāng)引入缺陷時(shí)，形成光子晶體波導(dǎo)可以從根本上實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)彎時(shí)的高效率傳輸10，圖6為二維光子晶體波導(dǎo)的結(jié)果11；若把光子晶體沿某個(gè)方向切開(kāi)，由于其平移對(duì)稱(chēng)性的破壞，將

7、會(huì)形成表面態(tài)，通常也叫表面缺陷。具有表面缺陷的光子晶體就會(huì)把光局限在某個(gè)平面上，由此可以制作平面波導(dǎo)或平面諧振腔12，如圖7所示為三維光子晶體及其表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果13。圖4. 三維光子晶體缺陷態(tài)增強(qiáng)半導(dǎo)體自發(fā)射圖5. 二維光子晶體中高品質(zhì)因子微腔的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖6. 二維光子晶體波導(dǎo)(a)直線(xiàn)光子晶體波導(dǎo)和波導(dǎo)彎折的投射譜(b)曲率半徑不為0的90°彎折波導(dǎo)的彎折效率(c)曲率半徑為0的90°彎折波導(dǎo)的彎折效率圖7. 三維光子晶體及其表面態(tài)(a) 三維光子晶體示意圖及表面布里淵區(qū)(b)三維光子晶體的投影能帶(c)存在表面的三維光子晶體投影能帶(d)表面態(tài)的場(chǎng)分布除了上述的兩種性

8、質(zhì)外，光子晶體材料還有豐富的色散特性。通過(guò)光子能帶的調(diào)控，我們可以控制電磁波在光子晶體中的色散性質(zhì)。當(dāng)光從均勻介質(zhì)如射到光子晶體或者從一種光子晶體入射到另一種光子晶體中時(shí)，我們可以通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究光在通過(guò)界面時(shí)的反射和折射的行為。超棱鏡、自準(zhǔn)直和負(fù)投射等新穎的光學(xué)現(xiàn)象均來(lái)自光子晶體的特殊色散性質(zhì)，如圖8所示為光通過(guò)光子晶體時(shí)的負(fù)折射行為。圖8. 光通過(guò)光子晶體時(shí)的負(fù)折射行為（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）1.2 金屬結(jié)構(gòu)的表面等離激元金屬微納結(jié)構(gòu)的表面等離激元是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。通過(guò)利用其新穎的光學(xué)性能至今已發(fā)展出了巨大的應(yīng)用前景，吸引了來(lái)自物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的注意。如圖9所示，當(dāng)光從自由空間傳

9、播到金屬表面時(shí)，由于金屬中自由電子的集體震蕩，在表面處能存在局域的電磁場(chǎng)，其場(chǎng)強(qiáng)在金屬和自由空間兩個(gè)方向都會(huì)強(qiáng)烈的衰減，從而使其只能在界面處進(jìn)行傳播，這種在金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶艌?chǎng)模式成為表面等離激元14。而表面等離激元與光子晶體表面態(tài)中的表面波概念相似，因此也可以將之看待為一種表面波。圖9. 表面等離激元模式的電場(chǎng)在界面分布的示意圖和場(chǎng)分布沿Z空間變化的情況當(dāng)金屬表面存在周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以類(lèi)比光子晶體中的電磁波，表面等離激元（SPs）作為一種表面波，在周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)制下也能夠形成獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)的周期與有效波長(zhǎng)的一半可以比擬時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)SPs的散射有可能形成類(lèi)似駐波形式的SPs模式，

10、從而打開(kāi)了一個(gè)禁帶。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)金屬的兩維周期性結(jié)構(gòu)，如圖10所示，沿各個(gè)方向傳播的SPs模式都將被這種結(jié)構(gòu)散射，從而形成一個(gè)全帶隙的SPs模式能帶15-17。通過(guò)不同的金屬周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，人們就可以調(diào)節(jié)SPs模式能帶，從而可以針對(duì)這些性質(zhì)發(fā)展處新的應(yīng)用。1998年，Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)在打了周期性亞波長(zhǎng)納米級(jí)空洞的厚金屬膜上存在著超強(qiáng)的可見(jiàn)光透射峰18，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11(a)所示。2002年，他們又發(fā)現(xiàn)在金屬納米級(jí)孔周?chē)谱饕恍┲芷谛缘牟y后，透過(guò)亞波長(zhǎng)小孔的光波不再是沿各個(gè)方向衍射，而是沿著一個(gè)方向定向發(fā)射19，其結(jié)果如圖11(b)所示。這兩個(gè)利用表面等離激元的奇特性質(zhì)來(lái)突破光學(xué)衍射

11、極限的現(xiàn)象引起了人們的極大興趣。圖10 (a)平金屬SPs的色散關(guān)系，其中黑色部分代表SPs模式 (b)具有周期結(jié)構(gòu)的金屬表面的掃描電鏡照片，圖中標(biāo)尺為0.7m (c)具有周期結(jié)構(gòu)的金屬的SPs的色散關(guān)系，具有清晰的SPs帶隙存在圖11 (a)周期性亞波長(zhǎng)小孔的光學(xué)超強(qiáng)透射 (b)“牛眼”結(jié)構(gòu)的無(wú)衍射效應(yīng)定向發(fā)射現(xiàn)象1.3 光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展a. 超構(gòu)材料區(qū)別于結(jié)構(gòu)尺度可以和相應(yīng)電磁波長(zhǎng)比擬的光子晶體和表面等離子激元結(jié)構(gòu)，超構(gòu)材料對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)尺度遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁波長(zhǎng)的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)，如圖12所示20。由于基本單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)尺度的電磁波長(zhǎng)，周期性對(duì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)沒(méi)有很大的影響。所以可以將超構(gòu)材料

12、看成一個(gè)等效的均勻介質(zhì)，具有等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超構(gòu)材料的基本組成單元的特點(diǎn)除了結(jié)構(gòu)尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁波長(zhǎng)之外，還有就是這些基本單元都對(duì)電磁波具有局域的共振特性。該基本單元將對(duì)與之結(jié)構(gòu)共振頻率匹配的電磁波強(qiáng)烈共振，而遠(yuǎn)離共振頻率的電磁波不予響應(yīng)。通過(guò)頻率選擇或者結(jié)構(gòu)調(diào)控這些電磁共振，就可以調(diào)控超構(gòu)材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，甚至得到負(fù)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率21-22。超構(gòu)材料中最吸引人的應(yīng)用就是負(fù)折射和超透鏡現(xiàn)象。由于超構(gòu)材料具有可調(diào)的負(fù)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，通過(guò)折射率和介電常數(shù)的關(guān)系可知，超構(gòu)材料也就有負(fù)的折射率，這意味著電磁波在穿過(guò)正常介質(zhì)和潮購(gòu)材料的界面時(shí)會(huì)發(fā)生負(fù)折射，這使得平板

13、成像成為了可能。平板折射有利于收集更多的波矢，同樣由于體系的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為-1，這個(gè)平板透鏡與空氣的阻抗匹配，就沒(méi)有反射光存在20-23，這樣即可得到一個(gè)突破了衍射極限且完美成像的超透鏡，如圖1所示。圖12 (a)超構(gòu)材料典型的單元開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片 (b)利用超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)圖13. 超透鏡成像示意圖b. 隱身材料和變換光學(xué)超構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)，使得我們可以自由設(shè)計(jì)材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。為了實(shí)現(xiàn)利用復(fù)雜超構(gòu)材料在空間上對(duì)光進(jìn)行更為自由的調(diào)控，Leohardt和Pendry等人發(fā)展了變換光學(xué)理論來(lái)設(shè)計(jì)排列具有不同有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的組合超構(gòu)材料，從而實(shí)現(xiàn)自由控制

14、電磁波傳播的目的24-25。變化光學(xué)設(shè)計(jì)空間等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，在空間排布復(fù)雜超構(gòu)材料來(lái)使光線(xiàn)按照既定的路線(xiàn)傳播。因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)使用非均勻超構(gòu)材料使光線(xiàn)繞過(guò)物理，讓出射路徑與在物體不存在的情況下相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的隱身效果，如圖14(a)所示。此外，通過(guò)變換光學(xué)和超構(gòu)材料，我們還可以在理論和實(shí)驗(yàn)上模擬很多經(jīng)典物理學(xué)現(xiàn)象，如圖14(b)所示為模擬光學(xué)黑洞。圖14 (a)通過(guò)變換光學(xué)設(shè)計(jì)隱身衣的數(shù)值計(jì)算結(jié)果 (b)利用變換光學(xué)原理設(shè)計(jì)的光學(xué)黑洞二、 微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備方法2.1 自主裝膠體小球相對(duì)于傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，例如光刻，電子束刻蝕或者掃描針尖刻蝕等，自主裝微納米小球技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)26。

15、首先，其成本低廉，方法簡(jiǎn)單且耗時(shí)短，對(duì)于不具備微加工技術(shù)的情況，它也為快速實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方便。作為一種應(yīng)用廣泛的微納結(jié)構(gòu)末班，自主裝小球在微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備上應(yīng)用已久。這種技術(shù)最先被應(yīng)用于制備三維光子晶體的實(shí)驗(yàn)上。眾所周知，天然蛋白石作為一種自然界的光子晶體，其結(jié)構(gòu)就類(lèi)似于三維密堆積的納米小球，如圖15所示。為了更深入的研究光子晶體的物理特性，使用天然蛋白石作為研究材料是不夠的。且蛋白石本身價(jià)格不菲，人們?cè)趯で笕斯さ鞍资Y(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)展了自組裝納米小球的技術(shù)。為了得到有序的光學(xué)結(jié)構(gòu)和較好的光學(xué)效應(yīng)，自主裝所用的膠體小球的單分散性一般不得超過(guò)8%。盡管自主裝技術(shù)早已被廣泛應(yīng)用，但是其原理仍是

16、個(gè)值得廣泛研究的問(wèn)題。由于幾乎所有的膠體小球都是帶電微粒，它們?cè)谧越M裝過(guò)程中將受到庫(kù)侖力，重力、范德瓦爾斯力等的相互作用，使自主裝過(guò)程的定量研究更加復(fù)雜。被廣泛采用的自主裝膠體小球的方法主要有沉積法27、提拉法28、旋涂法29和微腔毛細(xì)法30-31等。這里著重介紹微腔毛細(xì)法，該方法首先由華盛頓大學(xué)的夏幼南教授課題組提出30。他們使用聚甲基丙烯酸甲酯做了一個(gè)薄膜微槽，然后將其貼合在玻璃襯底上。這樣，一個(gè)微流通道就在槽與襯底之間形成。他們接著將該通道的一頭浸沒(méi)在膠體小球溶液中，利用毛細(xì)張力將膠體小球吸入微通道，等完全風(fēng)干之后，襯底上就形成了與槽形吻合的膠體小球晶體。利用這個(gè)方法可以制備各個(gè)形狀的膠

17、體小球晶體。此后，南京大學(xué)王振林教授課題組深化了該方法的制備過(guò)程，通過(guò)結(jié)合毛細(xì)力與表面張力，并對(duì)小球的濃度和槽的厚度精確控制，實(shí)現(xiàn)了從單層到多層可調(diào)且大面積制備低維度膠體小球陣列的制備方法31。圖15 天然蛋白石照片呈現(xiàn)出光子晶體特有的多彩反射光，其顏色取決于內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)和折射率大小。圖中插入的是蛋白石的切面掃描電鏡照片（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）復(fù)旦大學(xué)的劉曉晗課題組在王振林課題組的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了該方法，并制備出了具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)尺度周期的膠體小球陣列32-34，并通過(guò)與例如電化學(xué)沉積、PDMS轉(zhuǎn)移和納米壓印等技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出了更多關(guān)于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的制備方法與應(yīng)用35-36。如圖16所示，與電化學(xué)

18、沉積的方法相結(jié)合，通過(guò)控制電化學(xué)沉積的時(shí)間來(lái)控制金屬膜的厚度，可以制備出不同形貌的金屬反球腔結(jié)構(gòu)。隨著球腔深度變大，表面激元的模式由原來(lái)的非局域模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫钟蚰Ｊ剑⑶倚纬闪溯^寬的吸收帶。這主要由于金屬腔模的作用，使激發(fā)的表面等離激元極化場(chǎng)限制在金屬球腔內(nèi)，不能以表面波的形式傳播出去，這種金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸收特性將有利于提高光電過(guò)程的光電轉(zhuǎn)化效率37。圖16 不同形貌的金屬反球腔結(jié)構(gòu)的過(guò)程示意圖（上）、不同形貌的金屬反球腔結(jié)構(gòu)的電鏡照片（中）和宏觀(guān)變角度反射譜（下）其中樣品周期為600nm2.2 納米壓印納米壓印是當(dāng)今主流的一種平板印刷技術(shù)，它的發(fā)展使高產(chǎn)量制備納米結(jié)構(gòu)成為可能38-39。利用

19、機(jī)械壓軋?jiān)恚{米壓印能夠?qū)崿F(xiàn)比光子和電子衍射極限更高的分辨率。由于其還具備高效穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，納米壓印技術(shù)在制備光學(xué)微納結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用就更加引人矚目，如圖17所示。為了適應(yīng)粗糙襯底和易于與襯底分離的要求，PDMS（Polydimethylsiloxane）硅橡膠的優(yōu)異性能使其脫穎而出。PDMS不但具有柔軟、高滲透性且固化溫度適宜的特點(diǎn)，其特殊的機(jī)械韌性和化學(xué)惰性更使其能適應(yīng)不同的壓印過(guò)程和材料，從而被廣泛使用。圖17 納米壓印過(guò)程示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）三、 實(shí)驗(yàn)表征手段3.1 光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表征，最主要的就是結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的表征，其中最常用的就是對(duì)結(jié)構(gòu)的光譜測(cè)量。對(duì)于周期性樣品

20、，測(cè)量樣品在不同角度入射情況下得到的光譜性質(zhì)，通過(guò)換算，還可以推出體系的能帶結(jié)構(gòu)或者帶隙信息。為此實(shí)驗(yàn)室搭建了叫分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，如圖18所示。這套光譜測(cè)量系統(tǒng)的角分辨能力在0.2°或者更高，能夠方便的實(shí)現(xiàn)反射光譜測(cè)量（角入射，角反射）、衍射光譜測(cè)量（0度角入射，角衍射）、背反射光譜測(cè)量（角入射，反入射方向測(cè)量）等一系列的角分辨光譜測(cè)量方法。圖18 實(shí)驗(yàn)室搭建的宏觀(guān)角分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖同時(shí)，對(duì)于一些具有微觀(guān)結(jié)構(gòu)樣品，由于結(jié)構(gòu)的分布面積較小，比如一些以生物體為模板制備的自身體積較小的樣品，或者結(jié)構(gòu)的工作面積較小，例如需要精確定位于相同位置的傳感器樣品，則需要采用微區(qū)光譜測(cè)量系統(tǒng)，如

21、圖19所示。圖19 微區(qū)光譜與顯微角分辨光譜聯(lián)用系統(tǒng)示意圖3.2 掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡由于光具有傳播路徑不相干、載頻幅度寬、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于電子計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)的概念一經(jīng)提出就引起了廣泛的關(guān)注。幾年來(lái)，微納光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使高度集成光子器件成為了可能。為了進(jìn)一步在這一開(kāi)創(chuàng)新工程上邁進(jìn)，我們就需要很好的觀(guān)察、探測(cè)手段。而傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由于衍射極限的存在已經(jīng)不能勝任對(duì)微觀(guān)尺度樣品的觀(guān)測(cè)工作。為此，科學(xué)家和工程師們?cè)谝幌盗刑结槖呙杓夹g(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)利用光學(xué)探針的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。通過(guò)近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)，我們可以直觀(guān)地看到光場(chǎng)能量在微納光學(xué)結(jié)構(gòu)甚至是集成器件上的分布，以及該分布隨時(shí)空或施加外場(chǎng)情

22、況下的變化情況。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的使用也為我們?cè)谶M(jìn)一步研究微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上提供了真是直觀(guān)地實(shí)驗(yàn)依據(jù)，如圖20所示為近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡照片。圖20 近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡四、 微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用舉例：提高薄膜太陽(yáng)能電池的效率厚度小于100nm的超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池之所以在近年來(lái)吸引了較多關(guān)注，不僅在于它能夠進(jìn)一步減少使用的材料，降低成本，而且還符合有機(jī)分子或高聚物的諸多電學(xué)局限性，例如較慢的載流子遷移率和較短的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度等40-42，然而超薄電池也導(dǎo)致了對(duì)太陽(yáng)光吸收效率的降低，從而使光生載流子的數(shù)目減少，進(jìn)一步也會(huì)使電池的光電轉(zhuǎn)換效率低下43-44。為了克服光吸收不足的缺點(diǎn)，光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在超薄

23、有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）的制備中將占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，應(yīng)用在薄膜硅太陽(yáng)能電池上的傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)總體上都要遠(yuǎn)大于有機(jī)薄膜電池工作層的厚度45-47。由于有機(jī)薄膜不但厚度很小還必須均勻、連續(xù)的覆蓋襯底表面，以往在薄膜硅電池上的光學(xué)設(shè)計(jì)顯然不在適用。隨著波動(dòng)光學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展，已有一些光學(xué)設(shè)計(jì)手段被用來(lái)提高OSCs的效率，但目前大多數(shù)關(guān)于光學(xué)設(shè)計(jì)的研究都集中在硅基太陽(yáng)能電池而不是OSCs48-49；或只是對(duì)光學(xué)性質(zhì)做了理論模擬而沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中考慮器件的電學(xué)性質(zhì)50。復(fù)旦大學(xué)的劉曉晗課題組設(shè)計(jì)了能有效提高電池光吸收效率，特別是材料吸收較弱的區(qū)域（500nm波段）和紅外/近紅外波段（700nm）的光柵結(jié)

24、構(gòu)，如圖21所示。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的厚度為65nm的基于PFSDCNIO:PCBM的OSCs的電學(xué)效率同時(shí)也增強(qiáng)了。通過(guò)引入合適的光柵結(jié)構(gòu)，電池的短路電流增加了23.3%，填充因子FF增加了12.1%， 光電轉(zhuǎn)換效率PCE增加了33.3%。圖22所示的是金屬光柵結(jié)構(gòu)和PEDOT:PSS光柵復(fù)制結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。從圖中可以得知金屬光柵的線(xiàn)寬約160nm，周期320nm，高度為40nm，光柵模板的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)可以在光刻過(guò)程中自由調(diào)整。圖21 制備PEDOT:PSS光柵結(jié)構(gòu)的過(guò)程示意圖圖22 (a)金屬光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片 (b)PEDOT:PSS光柵復(fù)制結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片五、 研究中存在的問(wèn)題光學(xué)

25、微納結(jié)構(gòu)的研究至今已經(jīng)進(jìn)行了20多年，經(jīng)過(guò)各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的不懈努力，很多問(wèn)題已經(jīng)被攻克，期間也開(kāi)發(fā)出了很多制備方法和應(yīng)用手段。然而至今為止，光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的制備不但成本高昂而且耗時(shí)很長(zhǎng)。至于對(duì)可見(jiàn)光波段甚至更短波長(zhǎng)響應(yīng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，微加工手段就更為有限和昂貴。上述原因必然阻礙光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。其次，目前幾乎所有的光學(xué)微納結(jié)構(gòu)尺寸或結(jié)構(gòu)參數(shù)，在制備過(guò)程中一經(jīng)設(shè)定就無(wú)法改變，因此具有固定的光學(xué)微腔效應(yīng)。而在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，人們希望能夠得到自由且實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的器件以實(shí)現(xiàn)更多功能。如何獲得光學(xué)微納器件結(jié)構(gòu)更大的調(diào)節(jié)自由度仍是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。此外光學(xué)微納結(jié)構(gòu)所具有的性質(zhì)不應(yīng)該局限在

26、控制光的運(yùn)輸過(guò)程中，如何將其優(yōu)點(diǎn)有效的運(yùn)用在和民生相關(guān)的產(chǎn)業(yè)上，例如半導(dǎo)體照明，太陽(yáng)能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)，還需進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1 J. D. Jackson, Classical Electrodynamic M. U. S. A.: John Wiley & Sons, Inc., 19992 E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics J. Phys. Rev. Lett. 1987, 58:2059 3 S. John, Strong localizati

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