一维光子晶体与光学多层介质膜

本文阐述了一维光子晶体和光子禁带的概念,对比了一维光子晶体与光学多层介质膜在结构和特性方面的联系和差别,运用薄膜光学的理论和方法讨论了多层介质膜的高反射带与光子禁带和膜系结构参量的关系.     

硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备

从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器.首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响.基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器.通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500—750 nm波长范围红移至650—1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%.将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%.同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响.研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.     

金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜结构的设计与优化

理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基(W/Al₂O₃)多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。     

多层对称薄膜的光子晶体光波导设计

基于多层对称薄膜的反射镜作用,设计了一种工作波长位于1550nm附近的基于周期性多层膜的光子晶体光波导。由平板波导的相关理论分析了波长在1515~1587nm范围内电磁波在波导中的传输性质。研究表明TE模和TM模在波导都是基模传输,其功率约束因子(Γ)限制在0.99~1之间,说明波导近乎完全将光波限制在其中传输。在控光能力上这种结构要比普通的三层薄膜波导更具优势。利用周期性多层膜的光子带隙结构,可以构造具有超低损耗的全向带隙介质光波导。     

Ni/ZnO/BiFeO3/ZnO多层膜中磁场调控的电阻开关效应

阻变存储器由于具有读取速度快、存储密度大、存储时间长、低功耗和结构简单等主要特点,已被看为下一代非易失性随机存储器的重要候选者.本文研究了Ni/ZnO/BiFeO₃/ZnO/ITO多层纳米薄膜器件的电阻开关特性,发现器件具有明显的双极性电阻开关效应,而且样品的电阻开关特性随外加磁场的干涉会有明显变化,包括开关比、耐受性和电导率.磁场对Ni/ZnO/BiFeO₃/ZnO/ITO薄膜器件的显著调控作用应该起源于磁场使得Ni/ZnO界面处的肖特基势垒改变.这项工作可以为磁控电阻开关效应提供一种可能的新机制,在未来的存储器器件中具有重要的潜在应用价值.     

一种基于光子晶体的远红外与10.6μm激光兼容伪装材料的设计与制备

现代探测系统由单一工作模式到复合工作模式的转变,对伪装材料的光谱特性提出了某些特殊要求.作为一种新型人工结构功能材料,光子晶体基于光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装.设计了一种基于一维掺杂光子晶体的远红外与激光兼容伪装材料,利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了透射光谱.制备的样品经测试,与理论曲线相吻合.结果表明,利...     

月球表面环境对Mo/Si多层膜光学特性的影响

研究了月球表面高温、强辐射的空间环境下Mo/Si多层膜的热稳定性和辐照稳定性。Mo/Si多层膜采用磁控溅射法镀制,将制备好的多层膜在100℃和200℃高温下加热,利用激光等离子体反射率计和X射线衍射仪(XRD)对加热前后的多层膜进行了测量。结果显示在200℃以内,多层膜反射率和中心波长没有显著变化,表现出良好的热稳定性。利用Monte Carlo方法模拟了质子在多层膜内造成的缺陷的分布和浓度分布。模拟显示,能量大的质子沉积在多层膜内部,造成的缺陷也集中在多层膜内部。用能量为60keV,剂量分别为3×1012 cm-2和3×1014 cm-2的质子对Mo/Si多层膜进行辐照实验。发现多层膜内部出现了烧蚀损伤缺陷及节瘤缺陷。结果表明能量相同时,辐照剂量越大对多层膜反射率影响越大。     

Si/SiO2多层膜的Ⅰ-Ⅴ特性研究

用射频磁控溅射法制备了Si/SiO2多层膜,并对多层膜的Ⅰ-Ⅴ特性实验结果进行了拟合.分析表明,Si/SiO2多层膜的Ⅰ-Ⅴ特性由多种因素决定,单一的电流输运模型不能控制Si/SiO2多层膜的Ⅰ-Ⅴ特性,多层膜结构及氧化硅层的厚度是影响薄膜Ⅰ-Ⅴ特性的主要因素.     

色散SiO2/TiO2薄膜组成的Fibonacci序列一维光子晶体在可见光波段的传输特性

用特征矩阵法研究了由正常色散SiO₂/TiO₂薄膜组成的Fibonacci序列一维光子晶体在可见光波段的传输特性,并与无色散时的传输特性做了对比。结果表明,随序列项数的增加,相应的前一序列的透射谱中透射率较低的凹带逐渐变成禁带,禁带数增加;初始介质是低折射率的SiO₂薄膜时比高折射率的TiO₂薄膜时各序列的透射谱中的禁带数多,各禁带的宽度和中心波长基本相同;在总厚度一定的条件下,随SiO₂薄膜的厚度增大（TiO₂薄膜的厚度减小）,禁带的宽度减小,禁带的中心波长基本不变;随入射角增大,禁带的中心波长向短波方向移动,禁带宽度变小。在其它相同条件下,无色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长比有色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长都有增加。     

纳米Si/SiO2多层膜的结构表征及发光特性

采用等离子体化学气相沉积系统生长非晶硅薄膜并用原位等离子体氧化的方法制备出具有不同子层厚度的非晶Si/SiO₂多层膜,然后利用限制性晶化原理使非晶硅层晶化生成纳米硅。利用Raman、TEM等手段对薄膜结构进行了系统表征,在室温下观测到了光致发光信号,其发光峰峰位在750nm附近。进而在样品上下表面蒸镀电极,构建了电致发光原型器件并观测到了室温下的电致发光谱,开启电压约为6V,有两个明显的发光带,分别位于在650nm和520nm处。初步探讨了纳米硅及纳米硅/二氧化硅界面态对发光特性的影响。     

TiO2/SiO2多层膜的带隙结构及光催化性能

利用传输矩阵法设计了由SiO2、TiO2组成的多层膜高透射率光子晶体结构,并分析了其透射谱特性,根据等效层原理改变多层膜一维光子晶体的自身结构来提高通带内特征波长附近的透射率,获得了最佳结构参数。研究结果表明,当晶格参数为150nm,填充比为0.346,周期数为6时,400nm波长附近吸收带处的透射率最低也可达96.5%,并且不论是TM模式还是TE模式,入射角在0°～45°范围内仍保持高的透射率,该结构可望用于空气净化装置以提高SiO2、TiO2光催化剂的光催化效率。     

PVP掺杂-ZrO2溶胶-凝胶工艺制备多层激光高反射膜的研究

以丙醇锆(ZrPr)为锆源，二乙醇胺(DEA)为络合剂，原位引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在乙醇体系中成功地合成了PVP掺杂-ZrO₂溶胶.采用旋涂法在K9玻璃基片上制备了PVP-ZrO₂单层杂化薄膜.用不同掺杂量的PVP-ZrO₂高折射率膜层与相同的SiO₂低折射率膜层交替沉积四分之一波堆高反射膜.借助小角X射线散射研究胶体微结构，用红外光谱、原子力显微镜、紫外/可见/近红外透射光谱、椭圆偏振仪以及1064nm的强激光辐照实验对薄膜的结构、光学和抗激光损伤性能进行表征.研究发现，体系组成的适当配置可以在溶胶稳定的前提下实现ZrPr的充分水解，赋予薄膜良好的结构、光学和抗激光损伤性能.杂化体系中，DEA与ZPr之间强的配合作用大大降低了ZrO₂颗粒表面羟基的活性，使得PVP大分子只是以微弱的氢键与颗粒的表面羟基作用而均匀分散于ZrO₂颗粒的周围，对颗粒的形成和生长无显著影响.因而在实验研究范围内，随PVP含量的增大，PVP-ZrO₂杂化膜层的折射率和激光损伤阈值均无显著变化.但是，薄膜中均匀分布的PVP柔性链可以有效促进膜层应力松弛，显著削弱不同膜层之间的应力不匹配程度、大大方便多层光学薄膜的制备.当高折射率膜层中PVP的质量分数达到15%—20%时，膜层之间良好的应力匹配使得多层高反射膜的沉积周期数可达到10以上.沉积10个周期的多层反射膜，在中心波长1064nm处透射率约为1.6%—2.1%，接近全反射特征，其激光损伤阈值为16.4—18.2J/cm²(脉冲宽度为1ns). 关键词： 溶胶-凝胶 2')" href="#">PVP-ZrO₂ 高反射膜 激光损伤     

50~110 nm波段高反射率多层膜的设计与制备

阐述了50~110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成，每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比，这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜，并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50~110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计，其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试，测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.     

基于CdSe/ZnS量子点薄膜结构的高双折射光子晶体光纤的色散与损耗控制

基于有限元法,设计了一种六边形排列含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的高双折射光子晶体光纤,分析了具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的色散及损耗特性.结果表明,含CdSe/ZnS量子点薄膜结构的光子晶体光纤在x和y方向均存在基模.当泵浦光波长逐渐增加时,具有相同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤的双折射值逐渐增大,x和y方向总色散先增大后减小且存在两个零色散点,损耗逐渐增大并在可见光波段趋近于零;具有不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜光子晶体光纤随CdSe/ZnS量子点薄膜厚度的增加,在相同泵浦光波长处,双折射值逐渐减小,x和y方向总色散逐渐减小且两个零色散点逐渐靠近,损耗逐渐增大.通过沉积不同厚度CdSe/ZnS量子点薄膜和选择合适泵浦光波长,可有效控制光子晶体光纤的色散和损耗.     

CoFe/TiZr多层膜材料界面结构与性能的极化中子反射研究

利用极化中子反射技术较系统地研究了CoFe/TiZr复合多层膜材料界面结构，结果表明.1)从多层膜超镜传输特性角度考虑，等厚对层不如非等厚对层膜结构好.2)等厚对层的最佳退火温度约250℃，非等厚对层退火温度低于250℃影响不明显，等厚和非等厚对层经350℃退火后膜层变化严重.3)从布拉格峰位变化看，随着退火温度的升高，等厚对层膜的厚度先变小后变大；非等厚对层与之相反.     

CoFe/TiZr多层膜材料界面结构与性能的极化中子反射研究

利用极化中子反射技术较系统地研究了CoFe/TiZr复合多层膜材料界面结构,结果表明.1)从多层膜超镜传输特性角度考虑,等厚对层不如非等厚对层膜结构好.2)等厚对层的最佳退火温度约250℃,非等厚对层退火温度低于250℃影响不明显,等厚和非等厚对层经350℃退火后膜层变化严重.3)从布拉格峰位变化看,随着退火温度的升高,等厚对层膜的厚度先变小后变大;非等厚对层与之相反. 关键词： CoFe/TiZr多层膜 退火影响 膜层结构 极化中子反射     

TiN/TiB2异结构纳米多层膜的共格生长与力学性能

采用多靶磁控溅射法制备了一系列具有不同TiB2调制层厚度的TiN/TiB2纳米多层膜.利用x射线衍射仪、高分辨电子显微镜和微力学探针研究了TiB2层厚变化对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明,在fcc-TiN层(111)生长面的模板作用下,原为非晶态的TiB2层在厚度小于2.9nm时形成hcp晶体态,并与fcc-TiN形成共格外延生长;其界面共格关系为{111}TiN∥{0001}TiB2,〈110〉TiN∥〈1120〉TiB.由于共格界面存在晶格失配度,多层膜中形成拉、压交变的应力场,导致多层膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应,最高硬度和弹性模量分别达到46.9GPa和465GPa.继续增加TiB2层的厚度,TiB2形成非晶态并破坏了与TiN层的共格外延生长,多层膜形成非晶TiN层和非晶TiB2层交替的调制结构,其硬度和弹性模量相应降低.     

50～11O nm波段高反射率多层膜的设计与制备

阐述了50～110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜,并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50～110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计,其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试,测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.     

TiN/TiB2异结构纳米多层膜的共格生长与力学性能

采用多靶磁控溅射法制备了一系列具有不同TiB₂调制层厚度的TiN/TiB_{2纳米多层膜.利用x射线衍射仪、高分辨电子显微镜和微力学探针研究了TiB2层厚变化对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明，在fcc-TiN层(111)生长面的模板 作用下，原为非晶态的TiB2层在厚度小于2.9nm时形成hcp晶体态，并与fcc-TiN 形成共格外延生长；其界面共格关系为{111}TiN//{0001}TiB2，〈110〉TiN//〈1120〉TiB2.由于共格界面存在晶格失配 度，多层膜中形成拉、压交变的应力场，导致多层膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应， 最高硬度和弹性模量分别达到46.9GPa和465GPa.继续增加TiB2层的厚度，TiB2形成非晶态并破坏了与TiN层的共格外延生长，多层膜形成非晶TiN层和非晶TiB< sub>2层交替的调制结构，其硬度和弹性模量相应降低. 关键词： 2}纳米多层膜')" href="#">TiN/TiB₂纳米多层膜 共格生长 晶体化 力学性能