微纳光电材料及器件

Fra Baidu bibliotek子晶体概念的产生：
到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(photonic band structures)。具有光子能 带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子 晶体(photonic crystals)。
科学家们在假设 光子也可以具有类 似于电子在普通晶 体中传播的规律的 基础上发展出来的
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这 种周期势场的存在，使运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带 与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果 落在带隙中，就无法继续传播。
相似的，在光子晶体中是由光 的折射率指数的周期性变化产生 了光带隙结构，从而由光带隙结 构控制着光在光子晶体中的运动。
自然界中的光子晶体： 光子晶体虽然是个新名词，但自然界
中早已存在拥有这种性质的物质。
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。
纳米光电材料的性能: 小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应
纳米光电器件
• 量子点光电器件
量子点太阳能电池 量子点发光二极管 量子点激光器
• 纳米线光电器件
8.2 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Photonic Crystal，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。
• 光子晶体（photonic crystal） 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。
光子晶体图示
光子晶体概念的产生：
众所周知，很多的研究 都是起源于对自然界不同领 域存在类似现象的假设开始 的。因为宇宙万物遵循着相 同的规律，即使外表再怎样 的千变万化，而内在的规则 却是有着高度一致性。
光子 电子
服从方程 麦克斯韦
薛定谔方程
（Maxwell）方程
对应波 矢量波
标量波
自旋
自旋为1的玻色子 自旋为1/2的 费米子
相互作用 没有
很强
最初光子晶体的人工制备：
1989年，Yablonovitch及Gmitter首次
尝试在实验上证明三维光子能带结构的存 在。实验中采用的周期性介电系统是Al2O3 块材中，按照面心立方(face-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状 空洞，如此形成一个人造的巨观晶体。 三 氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和
两年之后，Yablonovitch等人 卷土重来， 这回他们调整制作方式， 在块材上沿三个夹120度角的轴钻洞， 如此得到的fcc晶格含有非球形的 “原子”(如右图)， 终于打破了对 称的束缚，在微波波段获得真正的 绝对能隙，证实该系统为一个光子 绝缘体(photonic insulator)。
第一个具有绝对能 隙的光子晶体，及 其经过特别设计的 制作方式
1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据 实验量得的透射频谱，所对应的三维 能带结构右图所 示：
第一个功败垂成的三维光子晶体
遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之 故， 在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内 的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudo gap)
第八章 微纳光电材料及器件
8.1 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。其 原理如下：
•
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
2003年ANDREW R. PARKER等 发现一种澳洲昆士兰的东北部 森林的甲虫（Pachyrhynchus argus），它的外壳分布有和蛋 白石一样的光子晶体结构类似 物，其具有从任何方向都可见 的金属色泽。
固体物理中的许多其 它概念也可以用在光子晶 体中，不过需要指出的是 光子晶体与常规的晶体虽 然有相同的地方，也有本 质的不同，如右图
基本特性
光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的 自发辐射的特点
左手材料
光子晶体器件
光子晶体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
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.
这种栖息于大陆棚上﹐有着刺 毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫 (sea mouse)`具有引人瞩目的虹彩。 此种海毛虫的刺毛是由为数众多之 六角圆柱体层层叠积形成的结晶状 构造物,其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)--一样的物 理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且 仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜 明色彩