漫谈光子晶体

时间:2014-08-29 14:18来源:无线电技术作者:灯笼芯 点击:
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摘要:早在半个世纪前,物理学家就已经知道,晶体中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射,部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap),导致电子的色散关系(dispersion re

关键字:光子晶体,晶格,电极,色散

  早在半个世纪前,物理学家就已经知道,晶体中的电子由于受到晶格的周期性位势(periodic potential)散射,部份波段会因破坏性干涉而形成能隙(energy gap),导致电子的色散关系(dispersion relation)呈带状分布,这是众所周知的电子能带结(electronic band structures)。然而直到1987年,E.Yablonovitch及S.John不约而同地指出,类似的现象也存在于光子系统中:在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中,电磁波经介电函数散射后,某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减,无法在系统内传递,相当于在频谱上形成能隙,于是色散关系也具有带状结构,此即所谓的光子能带结构(photonic band structures)。具有光子能带结构的介电物质,就称为光能隙系统(photonic band-gap system,简称PBG系统),或简称光子晶体(photonic crystals)。

  一、自然界中的光子晶体

  光子晶体虽然是个新名词,但自然界中早已存在拥有这种性质的物质,盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物,其色彩缤纷的外观与色素无关,而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构,随着能隙位置不同,反射光的颜色也跟着变化;换言之,是光能隙在玩变色把戏。

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  圖1. 蛋白石是礦物界的光子晶體

  在生物界中,也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例,其翅膀上的斑斓色彩,其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构,选择性反射日光的结果。数年前,科学家发现澳洲海老鼠的毛发也具有六角晶格结构,为生物界的光子晶体又添一例。

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  圖2. 蛋白石是礦物界的光子晶體

  二、光子晶体的基本架构和制作

  光子晶体是在一维、二维或三维架构上具有高度秩序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维架构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。而具有二维或是三维高度秩序排列的结构则是目前在光子晶体领域中最受到重视的一环。

  光子晶体的制备是利用由上而下的蚀刻来制作,该制作的程序不但繁杂亦很难做到三维的结构。相对的,若我们效法生物体利用自组装生成诸如头发、牙齿以及骨头等模式,采取由分子程度逐步建构至纳米程度的结构,亦即由下而上的方法可解决上述的问题。在目前的科学研究中,以自组装模式制造三维光子晶体是采用一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅纳米颗粒。利用自然、离心、抽滤以及真空等方式将纳米颗粒制成模板,再于模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应,最后利用锻烧与萃取等方式将有机范本移除,可生成具有光学晶体性质的三维光子晶体。一般而言利用自然干燥的方式可能得到六面(hexagonally close packed)、面心(face-centered cubic)、体心(body-centered cubic)以及杂乱(random)堆积等形式,但若以离心干燥的方式则可能得到紧密堆积的纳米颗粒范本。

  三、光子晶体的能隙

  事实上,在三维光子能带结构的概念尚未问世前,层状介电系统即一维的光子晶格已被研究多年,电磁波在该系统中的干涉现象早已应用在各种光学实验中,做为波段选择器、滤波器或反射镜等。例如光学中常见 布拉格反射镜(Bragg reflector),乃是一种四分之一波长多层系统(quarter-wave-stack multi-lay ered system),说穿了就是简单的一维光子晶体。尽管如此,这方面的研究却停留在一维系统的光学性质上,物理界一直未能以“晶格” 的角度来看待周期性光学系统,也因此迟迟未将固态物理上已发展成熟的能带理论运用在这方面。一直到了1989年,Yablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在,该实验虽然功亏一篑,但物理界已注意到其潜力,于是开始大举投入这方面的研究。

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  圖3. 1D、2D、3D的光子晶體

  Yablonovitch及Gmitter在实验中采用的周期性介电系统是在三氧化二铝(Al2O3 )块材中,按照面心立方(face-centered cubic, fcc)的排列方式钻了八千个球状空洞,这些空洞即所谓的“原子”,如此形成一个人造的巨观晶体。三氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和1.0,面心立方体的晶格常数是1.27公分。根据实验量得的透射频谱,所对应的三维能带结构如图4所示,其中左斜与右斜线分别代表两种不同的偏极化模。由此图所求得的绝对能(absolute gap)位于15GHz的微波范围,宽度约有1GHz。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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