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第六章 微纳光电材料及器件 概要 6.1 纳米光电材料及器件 6.2 光子晶体及光子晶体器件 6.3 超材料及相关器件 6.4 表面等离子体激元及器件 6.1 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。 6.1 纳米光电材料及器件 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 6.1 纳米光电材料及器件 纳米光电材料的性能: • 小尺寸效应：由于纳米颗粒尺寸与光波波长、电子德布罗意波长 等物理特征尺寸接近，材料的声、光、电、磁、热力学性质均发 生改变 • 表面效应：纳米颗粒尺寸变小，表面积大，增加了表面态密度， 不但引起材料表面原子输运和构型的变化，同时也改变了表面电 子自旋构像和电子能谱。 • 量子尺寸效应：由于电子在三维方向上均受到限制，电子能级表 现出类似于原子的离散能级结构，这使得材料的吸收特性和光发 射特性均不同于宏观材料。 光学和电学性质异于宏观光电材料的特征 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体概念的产生： • 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)。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ( ) 光子晶体指介电常数 或折射率周期性变化的一类物质，英 Photonic Crystal PC 文 ，简称 。 1.1987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。 2.1991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。 6.2 光子晶体及光子晶体器件  基本特性 光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的 自发辐射的特点 6.2 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。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 具有不同折射率（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