FCC结构胶体光子晶体光谱的数值模拟和实验测试
FCC结构胶体光子晶体光谱的数值模拟和实验测试[20200406135714]
摘 要
光子晶体的介电常数表现为周期性的变化，它能够产生光子带隙，进而可以控制光子在光子晶体中的传播，因此越来越受到人们的重视。而作为光子晶体的一种，胶体光子晶体不仅能够用于制作光开关、滤光器、传感器等，还能作为模板来制备亚微米级的有序孔结构，拓宽其在光电子及通讯等领域的应用。因此研究胶体光子晶体的光谱特性具有很好的意义。
利用时域有限差分法 构建了面心立方 结构胶体光子晶体的三维立体模型，数值模拟得出了胶体晶体的透反谱，分析了胶体粒子直径和材料的介电常数对光子带隙中心的影响，以及胶体晶体结构层数对带隙深度的影响，得到了制备的最优参数。
通过对温度和湿度的合理控制，进而达到对溶剂蒸发速度的控制，利用垂直沉积法在平板上自组装生成胶体晶体。搭建光学测试系统，测量得出制备的胶体晶体的透射光谱，与理论模拟结果比较吻合。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:胶体光子晶体时域有限差分法面心立方光子带隙垂直沉积
目 录
1． 绪论 1
1.1 光子晶体 1
1.1.1 光子晶体的概念 1
1.1.2 光子带隙 2
1.1.3 光子晶体的研究现状 2
1.2 胶体晶体 2
1.2.1 胶体晶体的概念 2
1.2.2 胶体晶体制备 3
1.2.3 胶体晶体的研究现状 5
1.3 本文的意义及主要研究内容 6
1.3.1 本文的意义 6
1.3.2 本文的主要研究内容 6
2． 胶体晶体结构及原理介绍 8
2.1 胶体晶体结构 8
2.2胶体晶体表征方法 9
2.2.1 扫描电子显微镜 9
2.2.2 光谱分析仪 9
2.3 时域有限差分法 9
2.4 本章小结 14
3． 平板胶体晶体的FDTD模拟和实验研究 15
3.1 平板胶体晶体的FDTD模拟 15
3.1.1 模拟 15
3.1.2 模拟结果与分析 19
3.2平板胶体晶体的制备 24
3.3 胶体晶体光谱测试 26
3.3.1 光源和光谱分析仪 26
3.3.2 光谱测试 27
3.4 本章小结 30
4． 结束语 31
参考文献 32
大学期间发表的学术论文 34
致 谢 35
1． 绪论
在过去的几十年里，电子产业的发展已近乎极限，与电子相比，光子因其独特的优越性越来越得到人们的认可。光子晶体是最近几十年比较活跃的新式材料，它具有独特的带隙结构而且光学特性比较特殊，在人为的改造之后，能够自由控制一些波的传输[1]，因此对光子晶体的研究已非常普遍。
胶体晶体是胶体光子晶体的缩写，是一种比较特殊的光子晶体。它的内部构造与光子晶体一致，它们在光学方面的性质是相通的，仅仅是用于制备的物质的介电常数有异。在平板上制备胶体晶体，研究其光谱特性，对胶体晶体在滤光器及光开关等方面的应用具有指导性意义。同时，胶体晶体可以作为模板来制备反蛋白石即多孔结构，这种多孔结构在光学器件以及传感器方面的应用前景十分广阔。[2]
1.1 光子晶体
1.1.1 光子晶体的概念
年，贝尔实验室的 [3]在分析控制自发辐射的方法的时候首次提到光子晶体，不久后，美国 大学的 [4]在对无序电介质内的光子局域进行研究时也提出了这个概念。[5]光子晶体[6]是内部构造周期性改变的一类物质，它的特点是电介质有序分布且介电常数不唯一。光子晶体存在光子带隙（或称光子禁带），频率在光子带隙区间内的波不能通过光子晶体。[7]
由于光子晶体的内部结构排布存在差异，光子晶体有三种划分，如图1.1所示 [8]。一维的光子晶体仅仅在某方向上存在周期排列，所以光子带隙只存在于这一特定方向；二维的光子晶体的内部结构排布在两个方向上存在周期性，因而在这两个方向或者这两个波矢相交的界面上都有限制光传播的光子带隙；对于三维光子晶体来说，内部结构排布在各个方向上都表现出周期性，所以各个方向均有光子带隙。[9]
图1.1光子晶体不同周期排列示意图
生活中也存在很多天然的光子晶体的例子[10-15]，如蝴蝶的两翼、蛋白石、孔雀羽毛等等，当有光照射时，它们的表面就会非常的鲜艳、亮丽，原因就是它们的内部结构排布存在周期性。
1.1.2 光子带隙
光子带隙是光子晶体最基本、最重要的特征[16]，光子晶体的内部结构与半导体材料十分相似。半导体材料是靠电子的定向移动工作的，促使电子移动的外加电场是周期性变化的，这种规律就会形成不同的能带结构。光子晶体内部结构的介电常数是周期性改变的，这种特性就会使光子晶体内部出现周期性电磁场，当介电常数满足一定条件时，就会出现 散射现象，进而出现光子带隙。[5]
光子带隙受频率的影响同时也受光的传播方向的影响，可以进一步分为完全带隙和不完全带隙；完全带隙中无论光从何方向入射都禁止通过，即在所有方向都有阻碍光传播的能隙，且不同方向存在的能隙可以交叉；不完全带隙的光子带隙只存在于某一特定方向上，或所有可能方向的光子带隙不全部重叠。[17]
1.1.3 光子晶体的研究现状
对于光子晶体的研究目前已经很深入。几十年以来人们开发了大量的光子晶体器件，如光子晶体直角波导、光子晶体光纤和光子晶体滤波器等。 年，光子晶体在美国《科学》杂志上出现，并被报道为当年的重大科技进展之一。[18]
光子晶体在红外波段和可见光波段的研究比较多，相关领域比较广，有光通信、光传感和光信息处理等。美国的 实验室成功制作出了一种材料为多晶硅的三维光子晶体，使用的方法是多层沉积/刻蚀法，这种光子晶体的光子带隙为 ，主要用于红外探测器，提高探测器的识别灵敏度；美国 利用光子晶体开发出了一种反射镜，它可以控制发生全反射的光的波长范围；美国 与英国 大学合作，成功研发出了一种可以携带更多信息和能量的光子晶体光纤光缆，这种光缆理论上讲可以达到远程、无损传播；英国 大学制作出一种高性能的波分复用器，这个器件用到了光子晶体的特殊性质——超色散。在国内，南京大学在研究光子晶体激光器并且取得了较高成果。[19]
近年来，英国 大学成功研制出人工合成的蛋白石，后来他们制备出 结构的晶体，这种晶体的带隙范围非常广，包括整个可见光波段。总的来说，光子晶体已深入到各个领域，人们对光子晶体的研究正在取得更大的突破。
1.2 胶体晶体
1.2.1 胶体晶体的概念
胶体晶体[20] 指的是一种周期结构，这种结构是通过单分散的胶体粒子整齐有序的排布形成的。[10]自然界中存在一种原生态的胶体晶体——蛋白石，它是由一些 颗粒沉降堆积形成的有序结构，所以实验室中制备的非天然的胶体晶体又被叫做人工蛋白石。
胶体晶体的整体构造和一般的晶体差别甚微，仅仅是占据晶体晶格点的物质不同，胶体晶体内部格点上是一个个胶体微球，一般的晶体内部格点上是一个个分子、原子或是离子，这些内部构造可以通过扫描电子显微镜进行观察，所以可以通过研究这种模型进而研究晶体的结构。[10]
现在，人工合成的胶体晶体种类已经非常多，但是，最为常用的还是单分散的胶体微球，图1.2是两种比较常用的胶体晶体图像，它们是用扫描电子显微镜观察的，分别是 微球组装的胶体晶体及聚苯乙烯 微球组装的胶体晶体。[21]
图1.2 胶体晶体(a)和 胶体晶体(b)
1.2.2 胶体晶体制备
将单分散的胶体微球组装成三维有序结构即制备胶体晶体，制备胶体晶体的方法很多，人们通常使用的方法有：重力沉降法[22]、电泳法[21]、物理强制法[1]及垂直沉积法[23]等。
(1) 重力沉降法
重力沉降法是组装胶体晶体最早使用的方法，也是最容易的，它通过微球本身的重力与下降过程当中的反作用力共同影响，最终堆积出三维有序结构。[24]该方法对胶体颗粒的密度、大小要求比较严格。太小的胶体微球在溶液中由于各种力的作用会始终处于平衡位置，不容易发生沉降；过大的胶体微球下降速度一般会特别快，较难控制，达不到自组装的要求，进而导致生成的胶体晶体排布分散。
摘 要
光子晶体的介电常数表现为周期性的变化，它能够产生光子带隙，进而可以控制光子在光子晶体中的传播，因此越来越受到人们的重视。而作为光子晶体的一种，胶体光子晶体不仅能够用于制作光开关、滤光器、传感器等，还能作为模板来制备亚微米级的有序孔结构，拓宽其在光电子及通讯等领域的应用。因此研究胶体光子晶体的光谱特性具有很好的意义。
利用时域有限差分法 构建了面心立方 结构胶体光子晶体的三维立体模型，数值模拟得出了胶体晶体的透反谱，分析了胶体粒子直径和材料的介电常数对光子带隙中心的影响，以及胶体晶体结构层数对带隙深度的影响，得到了制备的最优参数。
通过对温度和湿度的合理控制，进而达到对溶剂蒸发速度的控制，利用垂直沉积法在平板上自组装生成胶体晶体。搭建光学测试系统，测量得出制备的胶体晶体的透射光谱，与理论模拟结果比较吻合。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:胶体光子晶体时域有限差分法面心立方光子带隙垂直沉积
目 录
1． 绪论 1
1.1 光子晶体 1
1.1.1 光子晶体的概念 1
1.1.2 光子带隙 2
1.1.3 光子晶体的研究现状 2
1.2 胶体晶体 2
1.2.1 胶体晶体的概念 2
1.2.2 胶体晶体制备 3
1.2.3 胶体晶体的研究现状 5
1.3 本文的意义及主要研究内容 6
1.3.1 本文的意义 6
1.3.2 本文的主要研究内容 6
2． 胶体晶体结构及原理介绍 8
2.1 胶体晶体结构 8
2.2胶体晶体表征方法 9
2.2.1 扫描电子显微镜 9
2.2.2 光谱分析仪 9
2.3 时域有限差分法 9
2.4 本章小结 14
3． 平板胶体晶体的FDTD模拟和实验研究 15
3.1 平板胶体晶体的FDTD模拟 15
3.1.1 模拟 15
3.1.2 模拟结果与分析 19
3.2平板胶体晶体的制备 24
3.3 胶体晶体光谱测试 26
3.3.1 光源和光谱分析仪 26
3.3.2 光谱测试 27
3.4 本章小结 30
4． 结束语 31
参考文献 32
大学期间发表的学术论文 34
致 谢 35
1． 绪论
在过去的几十年里，电子产业的发展已近乎极限，与电子相比，光子因其独特的优越性越来越得到人们的认可。光子晶体是最近几十年比较活跃的新式材料，它具有独特的带隙结构而且光学特性比较特殊，在人为的改造之后，能够自由控制一些波的传输[1]，因此对光子晶体的研究已非常普遍。
胶体晶体是胶体光子晶体的缩写，是一种比较特殊的光子晶体。它的内部构造与光子晶体一致，它们在光学方面的性质是相通的，仅仅是用于制备的物质的介电常数有异。在平板上制备胶体晶体，研究其光谱特性，对胶体晶体在滤光器及光开关等方面的应用具有指导性意义。同时，胶体晶体可以作为模板来制备反蛋白石即多孔结构，这种多孔结构在光学器件以及传感器方面的应用前景十分广阔。[2]
1.1 光子晶体
1.1.1 光子晶体的概念
年，贝尔实验室的 [3]在分析控制自发辐射的方法的时候首次提到光子晶体，不久后，美国 大学的 [4]在对无序电介质内的光子局域进行研究时也提出了这个概念。[5]光子晶体[6]是内部构造周期性改变的一类物质，它的特点是电介质有序分布且介电常数不唯一。光子晶体存在光子带隙（或称光子禁带），频率在光子带隙区间内的波不能通过光子晶体。[7]
由于光子晶体的内部结构排布存在差异，光子晶体有三种划分，如图1.1所示 [8]。一维的光子晶体仅仅在某方向上存在周期排列，所以光子带隙只存在于这一特定方向；二维的光子晶体的内部结构排布在两个方向上存在周期性，因而在这两个方向或者这两个波矢相交的界面上都有限制光传播的光子带隙；对于三维光子晶体来说，内部结构排布在各个方向上都表现出周期性，所以各个方向均有光子带隙。[9]
图1.1光子晶体不同周期排列示意图
生活中也存在很多天然的光子晶体的例子[10-15]，如蝴蝶的两翼、蛋白石、孔雀羽毛等等，当有光照射时，它们的表面就会非常的鲜艳、亮丽，原因就是它们的内部结构排布存在周期性。
1.1.2 光子带隙
光子带隙是光子晶体最基本、最重要的特征[16]，光子晶体的内部结构与半导体材料十分相似。半导体材料是靠电子的定向移动工作的，促使电子移动的外加电场是周期性变化的，这种规律就会形成不同的能带结构。光子晶体内部结构的介电常数是周期性改变的，这种特性就会使光子晶体内部出现周期性电磁场，当介电常数满足一定条件时，就会出现 散射现象，进而出现光子带隙。[5]
光子带隙受频率的影响同时也受光的传播方向的影响，可以进一步分为完全带隙和不完全带隙；完全带隙中无论光从何方向入射都禁止通过，即在所有方向都有阻碍光传播的能隙，且不同方向存在的能隙可以交叉；不完全带隙的光子带隙只存在于某一特定方向上，或所有可能方向的光子带隙不全部重叠。[17]
1.1.3 光子晶体的研究现状
对于光子晶体的研究目前已经很深入。几十年以来人们开发了大量的光子晶体器件，如光子晶体直角波导、光子晶体光纤和光子晶体滤波器等。 年，光子晶体在美国《科学》杂志上出现，并被报道为当年的重大科技进展之一。[18]
光子晶体在红外波段和可见光波段的研究比较多，相关领域比较广，有光通信、光传感和光信息处理等。美国的 实验室成功制作出了一种材料为多晶硅的三维光子晶体，使用的方法是多层沉积/刻蚀法，这种光子晶体的光子带隙为 ，主要用于红外探测器，提高探测器的识别灵敏度；美国 利用光子晶体开发出了一种反射镜，它可以控制发生全反射的光的波长范围；美国 与英国 大学合作，成功研发出了一种可以携带更多信息和能量的光子晶体光纤光缆，这种光缆理论上讲可以达到远程、无损传播；英国 大学制作出一种高性能的波分复用器，这个器件用到了光子晶体的特殊性质——超色散。在国内，南京大学在研究光子晶体激光器并且取得了较高成果。[19]
近年来，英国 大学成功研制出人工合成的蛋白石，后来他们制备出 结构的晶体，这种晶体的带隙范围非常广，包括整个可见光波段。总的来说，光子晶体已深入到各个领域，人们对光子晶体的研究正在取得更大的突破。
1.2 胶体晶体
1.2.1 胶体晶体的概念
胶体晶体[20] 指的是一种周期结构，这种结构是通过单分散的胶体粒子整齐有序的排布形成的。[10]自然界中存在一种原生态的胶体晶体——蛋白石，它是由一些 颗粒沉降堆积形成的有序结构，所以实验室中制备的非天然的胶体晶体又被叫做人工蛋白石。
胶体晶体的整体构造和一般的晶体差别甚微，仅仅是占据晶体晶格点的物质不同，胶体晶体内部格点上是一个个胶体微球，一般的晶体内部格点上是一个个分子、原子或是离子，这些内部构造可以通过扫描电子显微镜进行观察，所以可以通过研究这种模型进而研究晶体的结构。[10]
现在，人工合成的胶体晶体种类已经非常多，但是，最为常用的还是单分散的胶体微球，图1.2是两种比较常用的胶体晶体图像，它们是用扫描电子显微镜观察的，分别是 微球组装的胶体晶体及聚苯乙烯 微球组装的胶体晶体。[21]
图1.2 胶体晶体(a)和 胶体晶体(b)
1.2.2 胶体晶体制备
将单分散的胶体微球组装成三维有序结构即制备胶体晶体，制备胶体晶体的方法很多，人们通常使用的方法有：重力沉降法[22]、电泳法[21]、物理强制法[1]及垂直沉积法[23]等。
(1) 重力沉降法
重力沉降法是组装胶体晶体最早使用的方法，也是最容易的，它通过微球本身的重力与下降过程当中的反作用力共同影响，最终堆积出三维有序结构。[24]该方法对胶体颗粒的密度、大小要求比较严格。太小的胶体微球在溶液中由于各种力的作用会始终处于平衡位置，不容易发生沉降；过大的胶体微球下降速度一般会特别快，较难控制，达不到自组装的要求，进而导致生成的胶体晶体排布分散。
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