基于喷墨打印的图案化制备与其应用

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1、第一章绪论1．1光子晶体新型材料的不断探索和发展对人类科技的突破起着决定性的推动作用。上个世纪开始，人类开始逐渐认识和探寻电子层次的材料性质，半导体材料的发现与应用则宣示了电子科技时代的来临。半导体材料通过控制电子的运动，以电子为信息的载体，促成了电子工业和信息工业的诞生及高速发展。随着科学技术的不断发展，新型产业的不断升级，人们开始将目标投向控制材料中光子的调控，在此方面的研究开辟了一个崭新的材料研究领领域．光子晶体。光子晶体是指呈周期性排列的不同折射率的介质组成的规则光学结构。这种材料能够调制其中的光子的状态模式，具有光子带隙，从而能够阻断特定频率的光子，影响光子的运动

2、。光子晶体(PhotonicC趔stal)的概念是E。Yablonovitehtl⋯和S。JollIl【2J于1987年同时在知名刊物“PhysicalReviewLeners”上分别发表的两篇文章中提出来的。Yablonovitehtl主要提出的是：光子在光子晶体中的自发辐射能够被调控，因此存在周期性结构中禁止特定频率的光进行传播的可能性；而John提出的则是：在精心设计布列的超晶格中引入一定的缺陷，光子将被限制在缺陷中而无法向其他方向发生传播，即在电介质超晶格结构中产生了较强的光子Anderson局域效应。1．1．1光子禁带光子禁带(PhotonieBandGap)是光

3、子晶体的重要特性之一，是指某种特定频率的光无法在光子晶体结构中无法传播，而在此频率之外的光则可以在光子晶体内传播。这类现象产生的原因是因为在光子禁带中是没有任何光子态存在的，所以频率与光子禁带相吻合的光的自发辐射也就被完全抑制【3】。光子禁带可被划分为完全光子禁带和不完全光子禁带这两类，完全光子禁带是指光在整个空间的全部传播方向上都被严格地禁止传播；而不完全禁带是指光只能在某个特定的方向上才被禁止传播[4J。光子禁带的存在与否以及其宽度决定于构建光子晶体的两种介质材料的介电常数之比(或折射率之比，由于介电常数存在空间上的周期性，继而导致空间折射率的周期变化)，介电常数比越大

4、，越有可能出现光子禁带。光子禁带的宽度则由介质材料的填充率、结构类型等决定，所以光子晶体禁带的调控可以通过对材料与结构的选择来达到。东南大学硕士学位论文1．1．2光子昌体分类光子晶体一般是通过空间分布的周期性(晶格维度)来分类，可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体，见图1．1．一维光子晶体通常是由两种具有不同折射率的介质相互交替堆叠而成的【5】，其介电常数的周期性变化只发生在一个方向。这种结构在空间位置的周期性函数是垂直于介质片的方向上的介电常数，而平行于介质片平面的方向上的介电常数不随空间位置而产生变化。一维光子晶体仅仅在一个方向上出现光子禁带，其光学性能由两

5、种介质的折射率之差及介质层厚度决定。二维光子晶体是指在二维空间的各个方向上都具有光子禁带的光子晶体，这种光子晶体一般由较多介质柱呈周期性规则排列而成的【61。这类结构在垂直于介质柱方向上的介电常数呈周期性变化，能够产生光子禁带；而在平行方向上，由于不存在介电常数的周期变化，所以无法产生光子禁带。二维光子晶体基于介质柱阵列的外形和布列方式不同，具有不同的横截面结构，这也导致了其光子禁带不同的宽窄程度。其中，矩形横截面结构的光子禁带范围较窄，而三角形和石墨形横截面结构的光子禁带范围较宽。三维光子晶体指的是在各个空间方向都呈现出折射率的周期性分布，即在各个方向上都存在着光子禁带的

6、光子晶体【J71。三维光子晶体虽然制备较为困难，但其具有丰富的结构如蛋白石结构【引、反蛋白石结构及金刚石结构【9】等，这也使得三维光子晶体具有着巨大的应用前景，成为了研究的热点。雪露鼐one·d；me翁s；Ona{TwOtd}me豹s；Ona!强ree·dime冉sjO嘴曲otonIce叫s钮lpho￡onicc『yi协}p彝otonicerysta}图1．1一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体结构示意图1．1．3光子晶体制备方法光子晶体独特优异的光子调控能力使其在众多领域内都具有巨大的潜在应用。因此自从Yablonovitch和JollIl在1987年提出光子晶体这个

7、概念后，研究人员一直在探索着制备光子晶体的方法，随着时间的不断前行，各种类型的制备方法被发展出来。这些制备方法大体上可以分为两类：“自上而下”法(top—do啪)和“自下而上"法(bo怕m-up)。第一覃绪论“自上而下”法是在研究早期就开始被发展出来方法，主要使用微纳加工技术在基底材料上直接制备具有设计尺寸和光子带隙的光子晶体结构。早期使用的主要是平板印刷(Litllography)与刻蚀(etching)技术，这些技术比较难以制备出较小的晶格，其制备出的光子晶体的禁带范围主要在红外或近红外波段，难以达到可见光波段