2022-2023學年高二物理競賽課件：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15級的分形結(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。由于分形線在xy平面(即如圖所示的平面)取向的非對稱結(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，完全無法透過分形板。與之相應，其反射同時也達到最大值。圖(c)和(d)是將分形板旋轉(zhuǎn)90°時的透射和反射特性。同樣可以看到有三個明顯的禁帶，但其頻率位置發(fā)生了變化。這是由于前面所提到的非對稱結(jié)構(gòu)所致。4圖24平面分形結(jié)構(gòu)對電磁波透射及反射譜電磁波在頻率為1.06，2.63和7.27GHz時，完全無法透過分形板，可以看到有三個明顯的禁帶。5分形結(jié)構(gòu)的逆圖形稱為分形槽結(jié)構(gòu)，即原來的分形線由狹槽取代。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)波長在2—200μm的紅外禁帶和通帶。亞波長分形槽結(jié)構(gòu)具有紅外禁帶和通帶特性。即使狹縫的尺度比波長小很多，在通帶范圍內(nèi)，其透射程度仍然相當高。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、反應離子束刻蝕、逐層刻蝕等先進半導體技術(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，制作起來比較容易。亞微米和遠紅外波段的光子晶體的制備則需要采用先進的微電子技術(shù)。8在半導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，很難制出復雜的、帶隙范圍在可見光區(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。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意的光子晶體，但工藝復雜，造價昂貴，不利于大規(guī)模的光子晶體生產(chǎn)。雖然極力向更短波長推進，但由于受光的衍射極限和現(xiàn)有半導體技術(shù)水平的限制，這種方法在制備更小波長尺度的三維光子晶體方面遇到極大的困難。10類蛋白石結(jié)構(gòu)法蛋白石是一種天然的有無定型二氧化硅構(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，遠低于完全光子帶隙要求值4。11為解決這一問題，人們開始在蛋白石結(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。當填充率達到一定值后，去除二氧化硅模板就得到反蛋白石結(jié)構(gòu)。1213用直徑1μm的二氧化硅微球為模板并用化