低温等离子体增强化学气相沉积法制备Ge反opal三维光子晶体及其光学性能

通过溶剂蒸发对流自组装法制备SiO2三维有序胶体晶体模板,采用等离子体增强化学气相沉积法在200℃低温条件下填充高折射率材料Ge,获得了Ge反opal三维光子晶体.实现了低于GeH4热分解温度的低温填充.通过扫描电镜、X射线衍射仪和傅里叶变换显微红外光谱仪对Ge反opal的形貌、成分和光学性能进行了表征.结果表明:沉积得到无定型态Ge,退火后形成多晶Ge,Ge在SiO2微球空隙内填充致密均匀.Ge反opal的反射光谱有明显的光学反射峰,表现出光子带隙效应,其带隙中心波长为1650nm和2640nm,测试的光学性能与理论计算基本符合.采用SU-8光刻胶薄膜也进行了Ge沉积,证实了SU-8模板可以耐受这一沉积温度.低温沉积降低了Ge的填充温度,可以直接采用不耐高温的高分子材料作为初始模板,单次复型制备得到多种构型的完全带隙三维光子晶体.     

二氧化硅人工蛋白石晶体（opal)的制备及其结构性质的研究

运用胶体化学法合成了尺寸可控的二氧化硅（SiO2）亚微米溶胶小球.透射电子显微镜（TEM）结果显示样品平均尺寸可从200nm变化至600nm，单分散性较高、平均标准偏差小于5％.通过自然沉积法，由溶胶SiO2小球自组织晶化制备了人工蛋白石晶体（opal晶体）结构.样品的剖面扫描电子显微镜（SEM）检测表明，样品为面心立方（fcc）结构.分析表明，较高的单分散性和缓慢的沉积过程是SiO2溶胶小球自组织晶化成三维有序结构的关键因素.反射谱中峰位在1320nm处的反射峰的出现，意味着样品在宏观尺度上的有序排列， 关键词： 亚微米二氧化硅溶胶小球 人工蛋白石晶体 方向带隙     

光子晶体制备技术和应用研究进展

从光子晶体概念的提出到现在已经过了20余年,光子晶体不仅成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域,而且在信息光学以及其他多个学科中得到广泛应用.本文重点综述了光子晶体的制备工艺,尤其是二维光子晶体和三维光子晶体的制备工艺进展,同时也综述了光子晶体的应用研究的进展,在此基础上,提出了一些光子晶体研究的展望.     

高质量三维光子晶体的实验制备及理论分析

对压强控制自组装法进行了改进,采用了密封硅胶颗粒的强吸水装置,为光子晶体样品的制备提供了一个稳定的温度、湿度和压强环境.将温度、压强分别控制在35 ℃、45 mmHg,利用直径为260 nm的聚苯乙烯胶体球进行了高质量三维光子晶体样品的制备.从理论计算和实验测量等方面对制备的光子晶体样品的结构、质量和性能进行了对比分析,结果表明,利用该实验装置进行光子晶体样品的制备时,可重复性高;制备的光子晶体样品具有较为完美有序的密堆结构,质量较好;在光子晶体样品的Г L方向有深且窄的光子带隙和陡峭的带隙边沿.光子带隙深度为83%,宽度为0.073,带隙边沿陡峭度为8%/nm,这为超快全光开关等先进的光学设备的研究奠定了基础.     

生长周期对有机金属化学气相沉积法制备SiO2-InP光子晶体的影响

有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法在人工蛋白石空隙中填充了磷化铟(InP)晶体以改变这类材料的光学行为,在选择了InP的生长条件的基础上进行了周期生长试验。利用扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见光谱(UV-Vis)对人工蛋白石晶体及其填充InP后的形貌和反射谱特性进行了分析。结果发现,采用周期生长方式有利于InP在模板空隙中的填充,且在反应时间相同的条件下,反应周期数越多,InP在空隙中的填充率越高,填充率增加反过来增大了二氧化硅球和空隙之间的折射率差,从而可控地对所制备光子晶体光子带隙进行调制。实验表明InP具有较好的生长质量,此项研究为制备三维InP光子晶体打下了基础。     

采用溶胶凝胶协同自组装方法制备SiO2反蛋白石结构薄膜及其光学性质研究

研究了溶胶凝胶协同自组装制备大面积高质量SiO₂反蛋白石结构薄膜的方法. 向单分散的聚苯乙烯(PS)胶体溶液中添加SiO₂前驱物溶液,用垂直自组装法一步得到微球空隙中均匀填充有凝胶的 复合PS胶体晶体薄膜,在空气中烧结去除PS后得到SiO₂反蛋白石结构薄膜.通过对添加前驱物溶液比例、 自组装温度以及烧结温度等参数的研究,用不同粒径的PS微球制备了不同孔径的高质量SiO₂反蛋白石结构薄膜. 用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪对制备得到的薄膜样品进行显微形貌和成分表征,并测试了其透射光谱. 结果表明:溶胶凝胶协同自组装法制备的SiO₂反蛋白石结构薄膜大面积高度有序,孔径可以控制且选择范围宽; 薄膜的透射光谱带隙明显,带隙中心波长与理论计算结果相符.     

高质量三维光子晶体的制备及其透射谱研究

设计了简易的压强可控自组装实验装置,制备了由直径为260 nm的聚苯乙烯(PS)胶体球组成的面心立方光子晶体.分析了压强的变化对光子禁带(PBG)深度及光子带隙边缘(PBE)坡度的影响,确定了合适的压强生长环境(P=5999.5 Pa).利用该实验装置,还进行了光子晶体的小批量制备,一次性制得了三块光子晶体,并从不同角度对每一块光子晶体的透射谱及不同光子晶体的透射谱进行了测量.同一光子晶体不同位置透射谱的重合、同一批次制备的不同光子晶体透射谱的一致性及光子禁带两侧的Fabry-Pérot振荡等均说明:该装置制备的光子晶体在大区域、大面积上是高度有序、均一和平整的;利用该实验装置进行光子晶体的小批量制备是可行的.     

空心光子晶体光纤

利用传输常数来认识空心光子晶体光纤的导光机制,并介绍了一种新型全方向波导光纤,最后报道空心光子晶体光纤应用研究的一些进展。     

光纤表面自组装胶体晶体微结构的实验研究

利用自组装方法在普通单模光纤裸纤表面生长胶体晶体,采用自组装方法制备了一种新型的三维光子晶体微结构光纤。将单分散度小于2％的二氧化硅胶体微球超声分散于乙醇溶液,通过垂直沉积法在表面经湿法腐蚀处理的裸光纤表面组装胶体晶体。采用SEM对样品进行表征,胶体样品表面为六角密排列,晶体呈FCC结构,其（111）晶面平行于光纤表面。当微球直径远小于光纤直径时,在60℃温度下制备的胶体样品有较好的质量。     

二氧化硅胶体球自组装光子晶体的研究

光子晶体由于具有光子带隙和光子局域等一系列优异的光学特性而受到了人们广泛的关注。由于采用胶体颗粒自组装法制备光子晶体制备工艺简单,所需要的费用也较低,因此已成为制备可见光至红外波段三维光子晶体的一种简便有效的方法。采用垂直沉积法制得了三维光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜和紫外-可见光-近红外分光光度计对其显微结构和光学特性进行了详细的研究。结果表明,自组装薄膜在三维方向上都具有有序结构,其密排面平行于载波片的表面。制备的光子晶体薄膜具有明显的光子带隙特性,带隙中心波长为956nm。研究了带隙中心波长同入射线与密排面法线夹角之间的变化关系,其结果与理论值吻合得很好。     

溶胶凝胶法制备圆柱形大孔二氧化硅反蛋白石结构晶体

利用溶胶凝胶法在不同直径的毛细管表面制备了圆柱形二氧化硅反蛋白石多孔结构.利用扫描电子显微镜表征了其形貌,发现胶体晶体的类(111)面结构整体为圆柱形,平行于毛细管表面.透射光谱结果表明,二氧化硅多孔结构在[111]方向具有典型的光子带隙效应,与布拉格理论相符合,有望应用到光通讯和传感领域.     

由介质球构成的三维光子晶体能带结构的平面波研究

采用平面波展开方法计算由介质球构成的面心立方三维光子晶体的能带结构及透射性质.选 用合适的平面波个数研究了SiO₂蛋白石结构光子晶体的能带及透射性质，并采 用转移矩阵 方法计算了电磁波沿［111］方向的传输特性，两种方法得到的结果相符合.还研究了反蛋白 石结构光子晶体的全带隙.最后，研究了壳层介质球构成的面心立方结构光子晶体的能带特 性，发现在高介质球外面包裹适当厚度的低介电常数介质壳层所构成的光子晶体，可以增大 L点相对带隙宽度50％，并证明了其优化内外半径比值约为0．69. 关键词： 光子晶体 光子能带 平面波展开方法 Core-Shell结构     

Photonic crystal modelling using a tight-binding Wannier function method

Using the concept of generalized Wannier functions, adapted from the electronic theory of solids, we demonstrate for two-dimensional photonic crystals the existence of a localized state basis and we establish an efficient computational method allowing a tight-binding-like parameter free modelization of any dielectric structure deviating from periodicity. Examples of numerical simulations using this formalism, including modal analysis of microcavities and waveguides are presented to prove the ability of this approach to deal accurately with large scale systems and complex structures. A tight-binding version of the transfer matrix method is proposed to describe the transmission and reflection properties of finite samples of photonic crystals.     

类Opal光子晶体红外区安德森定域化理论研究

本文根据Mie散射理论和低浓度近似下,对在中红外区高折射率半导体材料AlP等做为散射体的类Opal光子晶体的安德森定域化进行了理论研究,发现在浓度为10%,折射率比值大于3.8,无吸收状态下,此类晶体将出现两个定域化区.同时为此类晶体的定域化研究提供了一个比较理想的处理方法.     

Preparation of colloidal crystal template for inverse opal hydrogels

Colloidal crystal template for inverse opal hydrogel is constructed by vertical deposition method using monodispersed silica nanospheres. By adjusting the concentration of monodispersed silica nanospheres, it is found that well-structured silica template with more than 20 layers is formed when the concentration of the silica is 3.5 wt%. To enhance its strength, the prepared template is put in an oven at 500 °C for 2 h. The surface of the template is divided into many blocks by cracks formed in the process of heat treatment. The number of blocks varies with the rising time of the temperature from 25 to 500 °C. Under the same magnification, blocks formed with the rising time of 150 min can be nearly 4 times more than the blocks with a rising time of 300 min or 500 min, which means the slow rising velocity of the temperature can lead to a better colloidal crystal template with fewer blocks.     

Photonic band effects in three dimensional lattices of macroscopic-sized dielectric spheres derived from microwave transmission spectroscopy

Several structures of dielectric spheres (glass) have been arranged and the electromagnetic absorption properties of the resulting materials have been measured in the microwave domain. In all cases strong rejected bands are present while keeping nearly transparent for other frequencies. The physical origin of the observed bands is studied by recording the spectra of the materials as they are grown layer by layer. These data show the appearance of a peak attributed to Bragg scattering generated by the spheres layers. Besides, higher order bands are developed over the resonances that are found even in the single layer of spheres. These are caused by a complex interaction of isolated sphere Mie modes and Bragg scattering in planes perpendicular (or nearly) to the incident radiation.     

基于六角结构二维光子晶体绝对带隙的优化设计研究

根据平面波展开法对二维光子晶体的能带结构进行计算，采用栅格结构连接电介质圆柱体对六角结构的二维光子晶体进行了优化. 通过计算栅格宽度和圆柱体半径对绝对带隙的影响，找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数.优化后的光子晶体的大带隙对光子晶体制造工艺中介质圆柱体半径的偏离具有很好的稳定性，因此该结构的二维光子晶体具有很高的实用性. 关键词： 光子晶体 绝对带隙 六角结构