光子晶体的制备与应用研究_李会玲

光子晶体的制备与应用研究*

李会玲 王京霞 宋延林

助理研究员, 副研究员, 研究员,中国科学院化学研究所,北京100190

*国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101)

关键词 光子晶体 胶体晶体 自组装 光学器件

光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为 光半导体 ,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。

1光子晶体简介

1987年,美国贝尔通讯研究所的Y ablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出 光子晶体 的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现 光子带隙 (phot onic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(phot onic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic crystals)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。

2光子晶体制备

自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。

2.1微加工方法

微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(G aAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。

2.2全息光刻

全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30 m厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12],

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自然杂志 31卷3期科技进展

表明全息光刻技术有可能成为三维光子晶体制备的有效方法。

2.3胶体晶体自组装方法

单分散胶体粒子的稀溶液在弱的离子强度情况下,颗粒在静电作用及范德华力作用下可以自发排列形成面心立方和体心立方等有序结构,称之为胶体晶体。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米量级,目前已成为制备近红外及可见光波段三维光子晶体的有效途径。人们已经发展了很多方法来组装高质量的胶体晶体,目前主要有重力场沉积法、物理强制沉降法、竖直沉积法、电场作用下的自组装等方法。

笔者所在课题组在聚合物胶体晶体的制备方面开展了一系列工作。针对普通聚合物光子晶体存在的制备过程需要分离,膜强度低的缺陷,通过利用聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)三嵌段共聚物一步聚合实现单分散核-壳乳胶粒的简单制备[13],成膜简便,膜的机械强度得到显著改善,满足了应用要求(图1)。利用这种具有特殊核-壳结构的乳胶粒组装的胶体晶体作为模板,制备了具有闭孔结构、高强度的聚酰亚胺反蛋白石结构光子晶体[14]。通过聚合物结构设计和组装条件的控制,得到表面浸润性可控的聚合物光子晶体[13,15] (图2),

使之可以适用于不同基材表面的光子晶体制备。

图1 (a)不同粒径乳胶球制备得到的光子晶体照片,

图中数字分别代表乳胶球的平均粒径,单位:

nm;(b)所制备的单分散核-壳结构乳胶球的

透射电镜照片;(c)光子晶体扫描电镜照片,图

中标尺尺度:1

m

图2 (a,b)组装条件pH分别为6.0和12时,水滴在光

子晶体膜表面的浸润性;(c,d)对应不同组装条件

下乳胶球的结构示意图。圆圈内显示为形成的氢

键示意图,表明不同组装条件下,由于形成氢键的

变化导致光子晶体表面浸润性由超疏水(a)变为

超亲水(b)

2.4双光子聚合方法

多光子聚合(multi photon polymerization,M PP)

是制备三维光子晶体有效的方法。Strickler和Webb最

早提出M PP方法[16],简单来说,M PP利用多光子激发

过程的非线性本质,只激发在焦点周围很小的体积范围

里的分子,此体积为光学可分辨尺度。这些被激发的分

子诱导局域聚合反应,从而形成三维聚合物结构。目前

经常使用的是双光子技术,所以M PP通常指双光子聚

合(tw o photon polymeriz at ion,T PP)。

双光子聚合已用于制备一系列高分辨率的三维结

构,包括微管、微悬臂、光子晶体[17]等。TPP不仅可以制

备光子晶体,也可以将任意复杂形状的缺陷引入到光子

晶体中,是很有希望用于三维光子晶体制备的技术。目

前,TPP已经可以制备光子禁带在红外区域,具有层层

结构及斜孔[18]结构的光子晶体。除了聚合物外,高折光

指数的硫族玻璃例如As2S3在光照射下会发生溶解性变

化,因此也可以用于双光子聚合[19]。

2.5直写方法

直写方法是将计算机辅助设计的三维图案转化为

目标结构。由于要求的尺寸是在微米级别,传统的制备

技术,如快速复型等不再适用,因而需要新的技术。目

前最有希望的技术就是机器人墨水直写方法[20]。该方

法通过直接用 笔 组装聚电解质墨水来制备微米尺度

的三维周期性聚合物结构,所用的聚电解质墨水是从微

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Chinese J o ur nal of N atur e Vo l.31No.3 Progr ess