第二章 光学材料2.

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1、光学界中的光学界中的“半导体半导体” 新一代光电材料：新一代光电材料：光子晶体光子晶体 在上个世纪，人类对材料性质的认识上升到了电子层在上个世纪，人类对材料性质的认识上升到了电子层次，半导体物理的进展达到了能够次，半导体物理的进展达到了能够控制材料中的电子运动控制材料中的电子运动行为的水平，从而诞生了高速发展的电于工业和信息产业。行为的水平，从而诞生了高速发展的电于工业和信息产业。 在过去的十年中，人们以控制材料中光传播为目标，受在过去的十年中，人们以控制材料中光传播为目标，受这一目标的强烈驱使，科学家转向了材料光学性质的探索，这一目标的强烈驱使，科学家转向了材料光学性质的探索，由此开辟了一个

2、崭新的科学研究领域由此开辟了一个崭新的科学研究领域光子晶体光子晶体及其应及其应用。用。 光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命，次革命，1999年，被年，被 Science 评为年度十大科技成就评为年度十大科技成就之一。之一。控制光子的运动？控制光子的运动？内内 容容 提提 要要u 光子晶体的基本概念u 光子晶体的研究历史u 光子晶体的制备方法u 光子晶体的理论研究u 光子晶体的应用前景光子晶体的基本概念光子晶体的基本概念 在在介电系数呈周期性排列介电系数呈周期性排列的材料中，电磁波在频的材料中，电磁波在频谱上形成能隙，其色散关系

3、具有带状结构，称为谱上形成能隙，其色散关系具有带状结构，称为光子能带结构光子能带结构。 具有光子能带结构的介电物质，称为具有光子能带结构的介电物质，称为光子晶体光子晶体。光子晶体的结构光子晶体的结构周期约为：周期约为：25-100nm光子晶体光子晶体: 人工晶体人工晶体，由介电材料的周期排列而构成的。，由介电材料的周期排列而构成的。光子晶体概念是由光子晶体概念是由Yablonovitch和和 John在在 1987年各自独年各自独立地提出来的，它来自于立地提出来的，它来自于 Maxwell方程与方程与Schrodinger方程方程以及光子和电子类比。以及光子和电子类比。在半导体材料中，原子排布

4、的晶格结构产生的周期势影响在半导体材料中，原子排布的晶格结构产生的周期势影响着其中电子的运动行为，电子将形成能带结构；在光子晶体着其中电子的运动行为，电子将形成能带结构；在光子晶体中，介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似的影响，中，介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似的影响，因而形成光子带隙结构，出现因而形成光子带隙结构，出现“光子禁带光子禁带”。“光子禁带光子禁带”是指一定的频率范围，该范围内的电磁波不是指一定的频率范围，该范围内的电磁波不能在结构中任何方向的传播。能在结构中任何方向的传播。光子禁带是光子晶体最重要的特征。光子禁带是光子晶体最重要的特征。光子晶体的基本概念光子晶体

5、的基本概念光子禁带是否存在主要取决于光子晶体的三个因素：光子禁带是否存在主要取决于光子晶体的三个因素：1）两种介质的介电常数（或折射率）差；）两种介质的介电常数（或折射率）差；2）介质的填充率比；）介质的填充率比；3）晶格结构。）晶格结构。介电常数差越大越容易出现光子禁带。介电常数差越大越容易出现光子禁带。由于半导体材料具有较高的介电常数，半导体介质与由于半导体材料具有较高的介电常数，半导体介质与空气结构具有很大的折射率差，团此空气结构具有很大的折射率差，团此半导体材料成为半导体材料成为光子晶体材料的主要选择。光子晶体材料的主要选择。光子晶体的基本概念光子晶体的基本概念自然界中的例子自然界中的

6、例子:蛋白石蛋白石 盛产于澳大利亚的宝石盛产于澳大利亚的宝石: : 由由二氧化硅纳米球二氧化硅纳米球沉积而沉积而成的，其色彩缤纷的外观成的，其色彩缤纷的外观与外界无关，而是因为它与外界无关，而是因为它几何结构上的周期性使它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化。颜色也跟着变化。 在生物界中，花间飞舞的蝴蝶，其翅膀上斑斓色彩，其在生物界中，花间飞舞的蝴蝶，其翅膀上斑斓色彩，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。结果。 几年前，科学家发现澳洲海老鼠

7、的毛发也具有六角晶格几年前，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。结构，为生物界的光子晶体又添一例。自然界中的例子自然界中的例子18871987with photonic band gaps: “optical insulators”2-Dperiodic intwo directions3-Dperiodic inthree directions1-Dperiodic inone direction光子晶体的研究历史光子晶体的研究历史Bragg反射镜反射镜光子晶体的研究历史光子晶体的研究历史uBragg反射镜，实际上是一维光子晶体，即介电反射镜，实际上是一

8、维光子晶体，即介电常数沿一个方向周期分布。常数沿一个方向周期分布。uBragg反射镜是由于反射镜是由于光子禁带效应而反射光光子禁带效应而反射光。一。一维光子晶体的光子禁带依赖于入射角，这意味着对维光子晶体的光子禁带依赖于入射角，这意味着对一固定频率，光总能找到一传播方向进入光子晶体一固定频率，光总能找到一传播方向进入光子晶体结构，因此结构，因此Bragg反射镜并没有彻底解决光的反射反射镜并没有彻底解决光的反射问题。问题。u光子晶体概念的提出使人们对光子晶体概念的提出使人们对Bragg反射镜的认反射镜的认识变得更为深刻，识变得更为深刻，1998年年Winn等人设计出了能反射等人设计出了能反射任意

9、入射光的一维光子晶体反射镜。任意入射光的一维光子晶体反射镜。u显然，具有完全禁带的三维光子晶体更是理想的显然，具有完全禁带的三维光子晶体更是理想的光反射镜。光反射镜。很长的时间里，光子晶体的研究停留在一維系統的光學性很长的时间里，光子晶体的研究停留在一維系統的光學性質上，物理界一直未能以質上，物理界一直未能以“晶格晶格”的角度來看待週期性光學的角度來看待週期性光學系統，也因此遲遲未將固態物理上已發展成熟的能帶理論運系統，也因此遲遲未將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。用在這方面。自光子晶体概念提出后，人们对具有完全禁带的三维光子自光子晶体概念提出后，人们对具有完全禁带的三维光子晶体的

10、存在曾提出了种种猜测和疑问。晶体的存在曾提出了种种猜测和疑问。1990年年KMHo，CChan和和 CMSoukoulis等从等从理论上证实了第一个具有完全禁带的三维光子晶体结构理论上证实了第一个具有完全禁带的三维光子晶体结构金刚石结构金刚石结构。光子晶体的研究历史光子晶体的研究历史1991年，年，Yablonovitch用活性离用活性离子束依次从三个相差子束依次从三个相差 120的方的方向在介质上穿孔而制成了第一块向在介质上穿孔而制成了第一块三维光子晶体。这是一种面心立三维光子晶体。这是一种面心立方结构，后来的研究表明这种结方结构，后来的研究表明这种结构不存在完全禁带。构不存在完全禁带。 光

11、子晶体的研究历史光子晶体的研究历史从此光子晶体成为一个迅速发展的科学领域。从此光子晶体成为一个迅速发展的科学领域。随后（随后（ 1991年）年）Yablonovitch制成了具有完全禁带的三维制成了具有完全禁带的三维光子晶体。该结构属金刚石结构，禁带频率从光子晶体。该结构属金刚石结构，禁带频率从13GHz到到15GHz。光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法早期制作的三维光子晶体的工作频率多落在微波段。当工作波早期制作的三维光子晶体的工作频率多落在微波段。当工作波段向短波长推进时，实验制作则变得越来越困难。目前的实验段向短波长推进时，实验制作则变得越来越困难。目前的实验技术还无法实现工作于远红外