2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：光子晶體

光子晶體2光子晶體三維光子晶體是指在三維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料。單分散的聚苯乙烯乳膠球等能自組裝成面心立方、體心立方等有序結(jié)構(gòu)。以此顆粒小球所構(gòu)成的緊密堆積結(jié)構(gòu)為模板（圖17），向小球間隙填充高介電常數(shù)（大于2.85）的Si、Ge、TiO2等材料，然后通過煅燒、化學(xué)腐蝕等方法將模板小球除去，得到三維空間的周期結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為反蛋白石結(jié)構(gòu)。3光子晶體圖17硅晶片上自組裝成蛋白石晶體4反蛋白石結(jié)構(gòu)是指低介電系數(shù)的小球(空氣小球)以面心立方密堆積結(jié)構(gòu)分布于高介電系數(shù)的連續(xù)介質(zhì)中，如圖18所示，為光子晶體。從圖可以看出堆跺層錯(cuò)和點(diǎn)缺陷。5圖18硅光子晶體的掃描電鏡照片(1%堆跺層錯(cuò)，10-3點(diǎn)缺陷)6圖19摻雜的硅光子晶體，a中可見間隙原子，b為硅晶片上的6個(gè)100微米的光子晶體因衍射而呈紅色7圖

在圖所示的光子晶體的光禁帶

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圖21用多晶硅棒堆積成的三維光子晶體的掃描電鏡照片，Si棒寬度為1.2μm，高1.6μm，棒間距4.2μm，是用于紅外探頭的三維光子晶體。9圖22波長為10－14μm時(shí)具有禁帶

10局域共振（平面共振）－－平面分形結(jié)構(gòu)光子材料都建立在周期性特征例如折射系數(shù)周期性變化所導(dǎo)致的布拉格散射原理的基礎(chǔ)上。布拉格散射原理限制了光子能隙材料的制作和應(yīng)用，這是因?yàn)楣庾泳w要求具有周期性以及在較大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)有序性。另外光子晶體的總體尺度與波長的長度相當(dāng)。這個(gè)條件使得在較高頻譜區(qū)域制作樣品特別困難，尤其是由微球組成的三維光子晶體。而在低頻區(qū)域(例如微波和無線電波范圍)光子晶體又變成了臃腫龐大的塊材料。雖然人們多年來采用微加工的方法，對制備實(shí)用的可見光頻段的光子晶體進(jìn)行了大量嘗試，并且在新穎材料制作工藝方面成功地改善了三維光子晶體質(zhì)量。但周期性和規(guī)則性的要求仍然是人們必須面對的挑戰(zhàn)，尤其是在亞微米量級上折射系數(shù)的三維周期性調(diào)制。一般三維光子晶體制備在短波段具有的挑戰(zhàn)性，其難度不是一般實(shí)驗(yàn)條件所能克服的。11然而，布拉格散射并不是研究及制作光子能隙材料的惟一方法。不同于布拉格散射，另一種研究光子的物理模型稱為緊束縛模型。從緊束縛近似的定性描述可知，周期性對稱不再是能隙存在的必要條件。采用類似于緊束縛近似的研究方法，以單位結(jié)構(gòu)作為基本考慮因素，可設(shè)計(jì)具有局域模或局域共振效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)。1223是一個(gè)具有分形幾何結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面。分形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從第一級(主級，即圖中最長線段)開始，這一級決定了分形結(jié)構(gòu)的低頻響應(yīng)特性。一般來講，線度增長，其禁帶頻率將向低頻方向移動，反之亦然。當(dāng)確定了主級之后，第二級的線段長度與主級相等，且垂直于主級并連接至兩頂端，形成一個(gè)“工”字形。第三級的長度為第二級的二分之一，連接在“