第八微纳光电材料及器件精要.pptx

第八章 微纳光电材料及器件 8.1 纳米光电材料及器件 纳米材料是一种粒子尺寸在0.1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。其原理如下：   纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。 纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。 一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。 纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜 纳米光电材料的性能: 小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 纳米光电器件 量子点光电器件 量子点太阳能电池 量子点发光二极管 量子点激光器 纳米线光电器件 光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质，英文Photonic Crystal，简称PC 。 1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出光子晶体这一新概念。 1991年，Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。 8.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。 光子晶体图示 光子晶体概念的产生： 光子晶体概念的产生： 到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不约而同地指出：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)。 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。 自然界中的光子晶体 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。 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. 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶 2003年ANDREW R. PARKER等发现一种澳洲昆士兰的东北部森林的甲虫（Pachyrhynchus argus），它的外壳分布有和蛋白石一样的光子晶体结构类似物，其具有从任何方向都可见的金属色泽。 这种栖息于大陆棚上﹐有着刺毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫(sea mouse)`具有引人瞩目的虹彩。此种海毛虫的刺毛是由为数众多之六角圆柱体层层叠积形成的结晶状构造物,其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)--一样的物理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜明色彩 固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如右图 光子 电子 服从方程 麦克斯韦（Maxwell）方程 薛定谔方程 对应波 矢量波 标量波 自旋 自旋为1的玻色子 自旋为1/2的费米子 相互作用 没有 很强 遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之故， 在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudo gap) 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。实验中采用的周期性介电系统是Al2O3块材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状空洞，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。根据实验量得的透射频谱，所对应的三维能带结构右图所 示： 最初光子