第八章微納光電材料及器件

1、第八章第八章 微微納光電納光電材料及器件材料及器件8.1 納米光電材料及器件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

2、的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納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PhotonicCrystal，簡稱PC。1.1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自發(fā)輻射和光子局域時(shí)分別提出光子晶體這一新概念。2.1991年，Yablonovitch在實(shí)驗(yàn)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及光子晶體器件 光子晶體（光子晶體（phot

3、onic crystal） 是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)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)材料微結(jié)構(gòu)材料，其，其最根本的特征是具有光子禁帶最根本的特征是具有光子禁帶。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?yàn)橛钪嫒f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)動的電子受到周期種周期勢場的存在，使運(yùn)動

4、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。落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。 相似的，在光子晶體中是由相似的，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帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動。中的運(yùn)動。光子晶體概念的產(chǎn)生：光子晶體概念的產(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

5、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)(photonicbandstructures)。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)(photonicband-gapsystem，簡稱PBG系統(tǒng))，或簡稱光子晶體(photoniccrystals)。自然界中的光子晶體：光子晶體雖然是個(gè)新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質(zhì)的物質(zhì)。自然界中的光子晶體 盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅納米球。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano

6、-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)， 而而是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置是因?yàn)樗鼛缀谓Y(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。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。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)果次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射

7、日光的結(jié)果. 翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶 2003 2003年年ANDREW R. PARKERANDREW R. PARKER等等發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部森林的甲蟲（森林的甲蟲（Pachyrhynchus Pachyrhynchus argusargus），它的外殼分布有和蛋），它的外殼分布有和蛋白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似物，其具有從任何方向都可見物，其具有從任何方向都可見的金屬色澤。的金屬色澤。 這種棲息于大陸棚上有著刺這種棲息于大陸棚上有著刺毛的低等海生無脊椎動物毛的低等海生無脊椎動物海毛蟲海毛蟲(s

8、ea mouse)具有引人矚目的虹彩。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)晶狀六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀構(gòu)造物構(gòu)造物,其具有與光子晶體光纖其具有與光子晶體光纖 (photonic crystal fiber)-一樣的物一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮明色彩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，如右圖光子光子電子電子服從方程麥克斯韋（Maxwell）

9、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)米子相互作用沒有很強(qiáng)第一個(gè)功敗垂成的三維光子晶體第一個(gè)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性遺憾的是，理論學(xué)家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性(symmetry)之之故，故， 在在W和和U兩個(gè)方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻率范圍內(nèi)兩個(gè)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，因此只具有的能態(tài)數(shù)目相對較少，因此只具有虛能隙虛能隙(pseudo gap) 1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實(shí)驗(yàn)上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在。實(shí)驗(yàn)中采用的周期性介電系統(tǒng)是A

10、l2O3塊材中，按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式鉆了將近八千個(gè)球狀空洞，如此形成一個(gè)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)根據(jù)實(shí)驗(yàn)量得的透射頻譜，所對應(yīng)的三維實(shí)驗(yàn)量得的透射頻譜，所對應(yīng)的三維能帶結(jié)構(gòu)右圖所能帶結(jié)構(gòu)右圖所 示：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(gè)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(gè)光子絕緣體(

11、photonic insulator)。第一個(gè)具有絕對能第一個(gè)具有絕對能隙的光子晶體，及隙的光子晶體，及其經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的其經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的制作方式制作方式基本特性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(gè)長度，光波可以被限制

12、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?？紤]長距傳輸時(shí)，在信號中就將出現(xiàn)時(shí)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，通過這樣的纖維的一個(gè)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(gè)模式的光路通過，從而避免上述問題。但同時(shí)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

13、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(gè)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如圖是目前英國斯溫頓頓Bath大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性光子晶體光纖實(shí)物圖光子晶體光纖實(shí)物圖和傳輸效果圖。和傳輸效果圖。(a)普通光纖,(b)-(c)光子晶體光纖l利用包層對一定波長利用包層對一定波長的光形成光子能隙，的光形成光子能隙，光波只能在芯層形成光波只能在芯層形成的缺陷中存在和傳播的缺陷中存在和傳播。l能量傳輸基本無損失

14、，能量傳輸基本無損失，也不會出現(xiàn)延遲等影也不會出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。l光子晶體制成的光纖光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸可全波段傳輸。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(jì)的方向輻射并傳導(dǎo)出去。實(shí)驗(yàn)表明，采用光子晶體后，發(fā)光二極管的效率會從目前的10左右提高到90以上。光子晶體發(fā)光二

15、極管光子晶體發(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(jì)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(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，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)topxiewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC日本松下電器第一個(gè)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)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

16、功率的增加線寬趨于飽和，并重新展寬激光激光發(fā)射器發(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(gè)波導(dǎo)，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较?，同樣自發(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)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1999年，美國加州理工學(xué)院謝勒(AScherer)領(lǐng)導(dǎo)的研究組

17、首次報(bào)道了可在室溫下工作且運(yùn)轉(zhuǎn)在1550納米的光子晶體激光器。什么是超材料？什么是超材料？8.3 超材料及相關(guān)器件超材料及相關(guān)器件超材料的三個(gè)重要特征超材料的三個(gè)重要特征 超超材料通常是具有材料通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料； 超材料具有超材料具有超常的物理性質(zhì)超常的物理性質(zhì)（往往是自然界的材料中所不（往往是自然界的材料中所不具備的）；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)，而決決定于其中的人工結(jié)構(gòu)定于其中的人工結(jié)構(gòu)。負(fù)折射率的預(yù)言負(fù)折射率的預(yù)言。，有無源各向同性介質(zhì)中，質(zhì)方程各向同性介質(zhì)的電磁性。，式如

18、下：麥克斯韋方程的微分形tEHtHEHEEjHBEDtDjHtBEBD000000000., ,0構(gòu)成右手系。和，定義其中兩兩垂直，均與可以看出代入麥克斯韋方程得系如下：此時(shí)偏微分算子對應(yīng)關(guān)為波，可設(shè)其電磁場分別對于時(shí)諧單色平面電磁kHEkcnkkkHEEHkHEkHkEkjtjkeHHeEErktjrktj,2,., 0, 0/,00)(0)(020022200202002022,/1/1E0)()()(ncnccnkkEkEkHkHkEkEkEkkEkkk所以有而光速的定義為另一方面由定義有有非零解時(shí)要求把第四式代入上式，有即叉乘得第三式兩邊用., 0, 000EHkHEkHkEk 那么折

19、射率就有正負(fù)兩個(gè)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？2nnn,定義定義帶入第三和第四式，得帶入第三和第四式，得 按照定義，按照定義，E, H 和單位矢量和單位矢量 成右手系，成右手系，所以以上兩式左邊系數(shù)必皆為正，即要求所以以上兩式左邊系數(shù)必皆為正，即要求折射率折射率n和介電常數(shù)和介電常數(shù) 、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 同號。同號。kcnkk2., 0, 000EHkHEkHkEkEHkcnHEkcn00k2n. 0n0, 0; 0n0, 0時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)Veselago在在1967年預(yù)言了負(fù)折射率的存在。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。度方向相反。自然界中的材料自然界中的材料負(fù)折射率負(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?yàn)槟芰總鞑サ姆较蚝拖辔粋鞑サ姆较蛘孟喾矗匀绻?/p>