微纳光电材料及器件.pdf

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1、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

2、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

3、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(photonicbandstructures)。•具有光子能带结

4、构的介电物质，就称为光能隙系统(photonicband-gapsystem，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photoniccrystals)。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，英文PhotonicCrystal，简称PC。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

5、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（photoniccrystal）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”(photonicbandgap)。6.2光子晶体及

6、光子晶体器件光子带隙•光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落在其中时，它被完全反射，不能穿过光子晶体。•光子带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。•物理上，光子带隙来源于被周期性介电结构强散射的光之间的干涉。1、光子晶体的空间结构---能否相干2、构成的光子晶体材料介电常数之比---散射强度。6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体特性光子带陷：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。6.2光子晶体及光

7、子晶体器件光子局域6.2光子晶体及光子晶体器件自然界中的光子晶体：盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果.6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体器件光子晶体

8、的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等方面。目前，市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级