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1、蛋白石及反蛋白石结构光子晶体君3王振领林(中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理重点实验室长春130022)摘要光子晶体是由不同介电常数的材料构成的一种空间周期性结构,它能够在特定方向上禁阻、控制和操纵光子的运动。目前,已制备的光子晶体具有几种不同的结构类型,本文主要综述了蛋白石、反蛋白石结构光子晶体的制备方法及其光子带隙的影响因素。关键词蛋白石反蛋白石光子晶体光子带隙OpalandInverseOpalPhotonicCrystalsWangZhenling,LinJun3(KeyLaboratoryofRareEarthChemistryandPhysics,C
2、hangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China)AbstractPhotoniccrystalisaspatiallyperiodicstructurefabricatedfrommaterialshavingdifferentdielectricconstants.Itprovidesaconvenientandpowerfultooltoconfine,control,andmanipulatephotonsinspecialdimensionofs
3、pace.Photoniccrystalswithseveraldifferentstructureshavebeenpreparedatpresent.Inthispaperthemethodsforthepreparationofopalandinverseopalphotoniccrystalsandeffectsonitsphotonicbandgaparereviewedbriefly.KeywordsOpal,Inverseopal,Photoniccrystals,Photonicbandgap1987年,Yablonovit1和John2分别提出了光子晶
4、体(PC),即具有光子带隙的周期性电介质结构的概念。光子带隙是光子晶体最主要的特征之一3,当两种材料的介电常数相差足够大时,在电介质界面上会出现布拉格散射,产生光子带隙,能量落在光子带隙中的光将不能传播。光子带隙又可分为完全带隙和不完全带隙,所谓完全带隙,是指光子带隙结构中能够延伸至整个布里渊区(布里渊区是指在波失空间中的一些特定的区域,可以用描述电子能带结构的布里渊区来描述光子的能带结构)的带隙:不完全带隙也称准带隙或抑制频带,是指只有在特定的方向上才有的带隙4。光子局域是光子晶体的另一个特征,如果在光子晶体中引入某种缺陷,和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或
5、只能沿缺陷位置传播3。依据光子带隙空间分布的特点,可以将光子晶体分为一维(1D)光子晶体、二维(2D)光子晶体和三维(3D)光子晶体5。正如对半导体材料的研究导致电子工业的革命一样,对被称为“光子晶体”的一类新材料的研究可能会导致在光子技术领域的革命,在这场革命中,光子而不是电子将作为信息传递的主要载体6。当前光子晶体应用方面的研究工作主要集中在光子晶体反射器件、光子晶体发光二极管、光子晶体滤波器、光子晶体光纤、低阈值激光器等几个方面7。光子晶体能否尽快地实用化,关键在于光子晶体制备技术的发展。目前,制备光子晶体主要有三种方法8:微机械法、全息照相光刻蚀王振领男,30岁
6、,博士生,现从事溶胶2凝胶及发光的研究。2003212223收稿,2004202220接受3联系人,E2mail:jlin@ns.ciac.jl.cn法9、胶体自组装法。物理方法制备光子晶体一般较为复杂、费时、成本高,又需多个步骤才能完成,一般实验室难以实现。相比之下,胶体自组装法是一种简单、快速、廉价的化学制备方法。单分散的胶体粒子通过自组装而形成的三维光子晶体,具有与天然蛋白石相同的立方密堆积结构,称为人工蛋白石(图1(a)),人工蛋白石可由SiO2胶体粒子制备,也可由聚合物胶体粒子如聚苯乙烯(PS)胶乳、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶乳等制备。这种人工蛋白石可作为
7、模板,在胶体粒子的间隙充填具有较高折射率的无机材料,除去模板得到具有反蛋白石结构(图1(b))的光子晶体10。本文主要就蛋白石及反蛋白石结构光子晶体的研究进展作一评述。图1蛋白石(a)和反蛋白石(b)结构示意图11Fig.1Schematicdiagramsofopal(a)andinverseopal(b)11蛋白石结构光子晶体11.1单分散胶体粒子的制备影响蛋白石结构光子晶体的质量及光子特性的因素很多。其中,一个最重要的因素是胶体粒子的单分散性,单分散性不好会导致蛋白石结构的无序性并产生位错,这些缺陷会对入射光产生很强的随机散射,从而
