光子晶体的制备

光子晶体的制备

1987年，物理学家Eli Yablonovitch预测，光子带隙晶体（PBC）能够像现有的微电路处理电信号一样处理光信号。研究人员一直在寻找此类材料，并设法批量生长。在这项工作中，生长出的蛋白石状晶体具有PBC所需的独特结构：透明颗粒以类似于金刚石中碳原子的方式排列。

PBC的菱形晶格中粒子须按一定的方式排列。每个粒子连接四个等间距的近邻粒子，当两个这样的粒子聚在一起时，调整粒子的方向，使这两个粒子结合的六个粒子处于正确的相对方向。这项工作合成了微观的塑料块体，每个块体由四个球组成呈现出三角形金字塔的形状，每个棱锥面的中心有一个凹陷的粘性贴片。当悬浮在水滴中时，通过粘性贴片对接在一起的颗粒，粒子将调整到合适的角度，然后自发地形成具有金刚石结构的高度有序的稳定晶体。最终制备出的晶体仅包含100000个颗粒且重量不到1微克，但增大尺寸的过程并不复杂。大型三维光子晶体的制备需要用纯硅或二氧化钛填充这些晶体中的空隙，最后溶解这些晶体模板。

具体的制备过程为：

第一步，固体非交联聚苯乙烯颗粒与3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（TPM）的较小液滴混合，四个固体颗粒与一个液滴结合，形成四面体团簇；

第二步，在悬浮液中添加增塑剂（这里采用四氢呋喃）控制聚苯乙烯的变形，球体的变形挤压了团簇的液核，使核心从构成团簇的三个聚苯乙烯粒子之间的空隙中凸出，室温的条件有利于微调聚苯乙烯球被压缩和液核被挤出的程度；

第三步，采用HOOMD-blue模拟软件进行模拟，选择压缩比在0.63-0.78、粒径比接近1.2的粒子，初始的聚苯乙烯粒子尺寸为1.0μm；

第四步，退火后，粒子连接形成小晶体，为了生长更大的

晶体，将颗粒悬浮在H

2O和D

2

O的混合物中（使用PBS缓冲液），

将悬浮液装入玻璃毛细管中密封，尺寸为100μm×2mm×50 mm，毛细管沿2mm的方向倾斜20˚，沿50mm长的毛细管方向施加约1℃的温度梯度，团簇进行结晶，尺寸为40μm或100μm甚至更大，制备出的胶体颗粒具有高的约束性和机械稳定性，有利于干燥悬浮液和保持金刚石结构；

第五步，以晶体为模板，在晶体上涂覆保护性氧化层，利用化学气相沉积法在模板上涂覆硅，移除模板和氧化层，最终制备出PBC。

最终制备出的胶体金刚石的晶格具有宽且完整的光子带隙。PBC的应用之一是量子计算机，传统计算机中存储“0”或“1”的数字比特被可以同时是“0”或“1”的量子比特取代。这可以更加快速地解决代码破译中许多困难的组合问题。构建量子计算机的挑战在于将许多的量子比特连接在一起以及隔离这些量子

比特避免外界的干扰，通常采用光子信号。这项工作改进了用于传输光信号的媒介。