光子晶体的制备方法

光子晶体的制备方法

作者：杨洋许丽萍

来源：《硅谷》2012年第06期

摘要：光子晶体是周期性的电介质结构，这种结构具有光子禁带，具有光子带隙是其最根本的特征。介绍制备光子晶体的主要方法：机械打孔法、层层堆积法、胶体自组装法、激光全息干涉法。

关键词：光子晶体；光子带隙层层堆积；自组织；激光全息

中图分类号：TQ文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0320034－01

0 引言

随着科技的迅猛发展，各种晶体材料和晶体器件已广泛地应用于电子，激光、红外、超声以及其它科学技术领域。由于信息量爆炸式地增长和器件的进一步小型化和高度集成化，当芯片达到经典尺寸的极限时，电子间会存在库仑力，受量子效应的影响很明显，电子间的相互作用力会引起能量损耗，大大降低集成电路的性能。如果以光子作为信息的载体，对信息的传输速度会很快且携带信息量大。光子晶体是周期性的、长程有序的电介质结构。光子晶体在自然界中也是普遍存在的，例如蝴蝶翅膀、彩色蛋白石和深海老鼠身上的毛。它们在不同角度反射不同波长的光。但是在科学技术应用中，我们需要的光子晶体必须是周期性的电介质结构，而且为了得到光子带隙，就要使其介电常数和周围介质介电常数存在很大的差异，所以用于实验的光子晶体必须是人工制备的。一般采用一种介质周期性结构和另一种介电系数不同的介质相互排列。现在，光子晶体的制备主要借鉴硅微电子技术。下面本文对于光子晶体的制作方法进行介绍说明。

1 机械打孔法

1991年，Yablonovitch[1]第一次用机械打孔法得到微波波段的光子带隙，在砷化镓基片材料上制备出面心立方光子晶体，由于这种带隙与传播方向无关，这也首次证明了完全光子带隙的存在。具体制作方法是在砷化镓基体表面覆盖掩模板，沿三个方向在GaAs上向里打出排列规则的空气孔，再对每个圆孔角度相差的120度，偏向35度位置三个方向打孔。最后得到一个如图1具有完全光子带隙的三维光子晶体。由于受刻蚀精度的限制，制备可见光和红外波段的三维光子晶体，还存在巨大的挑战。

图1面心立方结构晶格三维光子晶体制备示意图

2 层层堆积法（layer-by-layer）[2]

制作三维光子晶体的方法，最简单的是层层堆积法，即把许多片状的二维周期性结构叠加成三维光子晶体，基本组成单元是一维介电柱。这种方法是E.Ozbay等人提出来的。这种结构被称为“木柴垛结构”，像堆积木一样，先堆好一层，再按一定规则堆第二层，依次堆下去，最后得到一定结构的三维光子晶体。其中每一层的一维介质柱都平行排列，相互间距为a；第二层介质柱与第一层介质柱夹角为90；单数层的排列是一样的，双数层的排列是一样的，但是第三层与第一层位移差了a/2；第四层和第二层也也位移了a/2；第五层与第一层继续重复。实验上第一次用氧化铝做出了这种结构，光子带隙在12-14GHz波段。这种三维光子晶体是具有面心四面对称性的全方位光子带隙，其相邻两层有60到90度的角度变化。可以用离子束刻蚀、分子束外延以及气相沉积等手段来实现。原则上这种层层堆积方法来制造三维光子晶体很可行，但是这种方法制作也有它的缺点，工艺繁琐，所以不适用大规模生产，成本也很高。当光子晶体结构的周期降到亚微米后，会受到现有半导体工艺技术的限制，所以用这种制备法来制作光学波段的三维光子晶体挑战还是很大的。

3 胶体自组织法

由于光子晶体在各个方向上都具有对称性，用物理打孔的方法很难在纳米尺度下加工出复杂结构的三维光子晶体。胶体自组装法可以控制纳米粒子的堆积方式，从而实现红外波段和周期可见光的三维周期结构，制备的方法比较简单。蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体，典型的方法是用二氧化硅排列为三维面心立方结构，并由可见光布拉格衍射产生出特有的颜色。天然的蛋白石是一种宝石。二氧化硅胶体在重力场作用下，在悬浮液中能自发排列成有序的周期性结构，通过干燥后成为合成蛋白石，它由数百个纳米的二氧化硅胶体颗粒有序排列在三维空间内而成的。现在主要有电泳法、诱导有序化法、场、自然沉降法、离心沉积法和强制有序化法等[3]，溶液中当颗粒浓度和电荷密度合适的情况下，表面带有电荷的胶体颗粒，经

过静电力的相互作用，小球自组织生长成周期性结构，从而形成胶体晶体。在毛细容器中，利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。若所占体积分数较低时，倾向于体心立方（BCC）点阵堆积，晶体的密排面和器壁表面相互平行；若胶粒所占体积分数比较高时，胶体的悬浮颗粒就以面心立方（FCC）点阵堆积。

4 激光全息干涉法

激光全息干涉法是利用了激光在光阻掩模板上刻蚀的方法。它是利用多光栅光束同步激光在空间产生很好的周期性，周期长度可以调节。这种方法刻蚀面积大，能产生三维的空间周期结构。Berger等首次应用三个光栅的激光在硅片上形成了二维的六角周期结构光子晶体[4]。I.B.Divliansky应用激光干涉法制备出三维光子晶体。2001年，Kondo等人研制出制作光子晶

体的一套适合多束激光脉冲干涉的光学装置，该装置可随意地改变干涉光束数而制做出一、二、三维光子晶体。

总之，利用多束激光干涉法很容易制备大面积且具有一定厚度的三维光子晶体，这是其他方法不容易做到的。这样可以使周期性干涉图样和相干激光的波长在数量级保持一致，同时改变激光光束的传播方向、偏振和数量，使三维形状的尺寸和结构发生变化，从而得到各不同的对称结构。所以用激光全息干涉法制作出的光子晶体涵盖的所有光波波长的范围，从而满足了人们生产研究的需要。

5 结论

现在光子晶体制备技术在实验中已经逐渐成熟，光子晶体将在下一轮信息技术革命中有非常广阔的应用前景。

参考文献：

[1]Yablonovitch E,Leung K M. Photonic band-gap structures. Phys.Rev.Lett. 1991,67:2295-2298.

[2]Knight J C,Birks T A. All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding. Optics Letters.1996,21:1547-1549.