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光子晶体是一种人造微结构,它的晶格尺寸与光波的波长相当,是晶体晶格尺寸的1000倍。光子晶体的制作具有相当大的难度,根据适用的波长范围,制作技术也不同。此外,还需要引入缺陷态,因此,制作过程往往需要采用多种技术才能完成。
1.精密加工法
Ames实验室证实了金刚石结构的光子晶体具有很大的带隙后, Yablonovitch等人便采用活性离子束以打孔法制造了第一块具有完全光子带隙(photonic band gap, PBG)的三维光子晶体。他们采用反应离子束刻蚀技术在一块高介电常数的底板表面以偏离法线35.26°的角度从3个方向钻孔,各方向的夹角为120°。但是,当孔钻得较深,并彼此交叉时,孔会产生位置偏离,从而影响其周期性结构。
Ho等提出了木堆结构(Woodp ile Structure) ,即用介电柱的多层堆积形成完全带隙的介电结构。Ozbay等用铝棒堆积成Woodpile结构,其缺点是工艺比较繁琐,且结构的周期准确性难以保证。Ozbay等又发展了逐层叠加结构(Layer-
by-layer Structure) ,即先制造出各向异性的二维Si/SiO2 层状结构,然后以Woodp ile结构的周期结构形式进行逐层叠加,即四层形成一个周期。通过层叠
法和半导体工艺的结合,使得设计出的光子晶体具有禁带宽、带隙可达到红外及近红外区的优点。由于是以半导体工业成熟的技术为基础,精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。然而其工艺复杂、造价昂贵,并且受现有半导体技术水平的限制,若要制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面却存在着很大的挑战。
2.胶体晶体法
早在1968年, Kriger等人就发现了由乳液聚合得到的聚苯乙烯胶乳(50～500nm)在体积分数超过35%时出现蛋白石特有的颜色。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径 。
在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方( FCC)点阵堆积; 当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。
目前,已经制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系。遗憾的是它们不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构,因而并不能产生完全光子带隙。为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。
3.反蛋白石结构法
反蛋白石结构是指低介电系数的小球(通常为空气小球)以面心立方密堆积结构分布于高介电系数的连续介质中,这种结构将有望产生完全能隙。1997年Velev等人首先用经阳离子表面活性剂CTAB浸泡过的聚苯乙烯颗粒形成的胶体晶体为模
板,合成了含三维有序排列的空气球的二氧化硅反蛋白石材料。主要采用模板法,具体操作为:以颗粒小球所构成的紧密堆积结构为模板,向小球间隙填充高介电常数的Si, Ge, TiO2 等材料,然后通过煅烧、化学腐蚀等方法将模板小球除去,得到三维空间的周期结构。Vlasov等人以SiO2 胶体晶体为模板,制得了硒化镉有序大孔量子点阵固体材料。Blanco等人以SiO2 胶体晶体为模板,用化学气相沉积法向其空隙填入硅,形成纯硅反蛋白石结构的光子晶体。
4.其他方法
(1)飞秒激光干涉法
利用飞秒激光干涉法已实现了一维、二维和三维近红外波段的光子晶体制作。该方法利用衍射分束器将飞秒脉冲分为多束,然后用两个透镜会聚叠加。搭建的实验装置可实现较高的调整精度,以实现飞秒脉冲的瞬态叠加。采用二倍频的飞秒激光, 波长为380nm, 脉宽80fs, 重复频率82MHz,一次照射制作, 照射功率约100μW,时间20 s。使用的是SU - 8胶等聚合物,聚合物薄膜厚度可达25μm。经激光照射后,进行显影定影,即可形成光子晶体结构。通过衍射分束器可将一束激光分为9束,再选择不同角度的几束实现不同维度的光子晶体曝光;选择两束可以实现一维光子晶体加工,选择四束可以实现二维光子晶体加工,而选择合适角度的六束激光并使之叠加干涉,可以实现三维光子晶体微加工,使加工精度更高。利用该方法, Campbell等人制成了可在可见光和近红外光波段工作的三维光子晶体。
(2)聚焦离子束
利用聚焦离子束及其工作平台可以灵活转动的特点,在多孔的硅上沿一定方向钻孔,形成Yabno-vitch结构的三维光子晶体。也可在多层膜上刻蚀可在近红外波段工作的一维槽和多层膜垂直相交的二维光子晶体结构。国内已利用该方法制作了可见光和近红外波段二维光子晶体,并测试了其光学特性。实验表明,聚焦离子束可以加工出较高质量的二维光子晶体,加工的无源光子晶体光学特性较好。
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