控制光子流动的晶体光子晶体-Read.PPT

报告内容 引言 光子晶体简介 光子制备方法 光子晶体的应用 发展展望 光子晶体的应用 微波天线 高效率低反射透镜 微谐振腔 高效率发光二极管和低阈值激光震荡 宽带带阻滤波器和极窄带滤波器 非线性光子器件和光子存储器 * * 信息技术革命 标志：半导体技术 趋势：微型化和高度集成化 限制：纳米尺度的量子效应 摩尔定律 ：自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。 光子时代的到来？ 光子 电子 传播速度 108 m/s 104-105 m/s 数据传播速率 光子远远大于电子 载体带宽 1012Hz 105Hz 载流子相互作用 弱 强 John S. Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489 Yablonovitch E Phys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062 光 子 晶 体 具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic band gap) 。 光子晶体--自然界中的例子? Butterfly Opal Sea mouse 光子晶体的特性 晶格类型， 光子材料的介电常数配比， 高介电常数材料的填充比。 点缺陷 线缺陷 面缺陷 2 光子局域 在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。 1 光子带隙 在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的 光子晶体制备方法 精密机械加工法 半导体微纳米制造法 胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法 液晶全息法等 困难：制备足够小的周期性结构。 Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251 半导体微纳米制造法 由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为一个重复单元，构成面心四方结构。d为每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示一个重复单元的尺寸。 Layer by layer method Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797. Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238 当外加电场增大时，微球自组装形成体心立方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由体心四方结构转化为面心立方结构。由于小球只需微小的运动即可以造成结构的转换，故这种三维光子晶体的结构转换只需简单的变化外加磁场的相对強度即可达到。 磁场 包覆球截面的SEM照片 电场 体心立方 面心立方 结构可转换的三维光子晶体 反蛋白结构法 以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料，然后通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去，得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方的形式分布于高介电系数的介质中。如果基底为高介电系数材料的空气孔面心立方结构，在第八个和第九个光子能带间将会产生空隙。 Alvaro Blanco et al Nature 405, 437–440; 2000 Milestone for photonic band-gap materials * * *