反蛋白石结构光子晶体及其应用的研究∗
单晶;谭天亚;张春玉;步秋雨;韩亚洲;季亚楠;张帆;梅勇;徐攀峰;王绩伟
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2016(030)005
【摘要】反蛋白石结构光子晶体因具有完全光子带隙、制备材料广泛、特殊的周
期结构、大的比表面积和连通的孔洞结构，近年来在自发辐射的调制、提高光催化反应速率和染料敏化太阳能电池反应速率等领域成为研究热点之一，并且在光、电、催化、传感、显示、检测等领域有着巨大的应用价值。介绍了反蛋白石结构光子晶体的基本概念及制备方法，阐述了反蛋白石结构在材料自发辐射的调制、能量传递的调制、促进物理化学反应、外界环境响应材料等方面的作用及其应用。
【总页数】6页(P12-16,22)
【作者】单晶;谭天亚;张春玉;步秋雨;韩亚洲;季亚楠;张帆;梅勇;徐攀峰;王绩伟
【作者单位】辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物
理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈
阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;辽宁大学物理学院，沈阳 110036;
辽宁大学物理学院，沈阳 110036
【正文语种】中文
【中图分类】O734
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固体物理论文 题目光子晶体的研究及其应用 姓名吴丽洪 学号 2010042145 专业年级10物理学 指导教师庄任重老师 2013年 12月12日
光子晶体的研究及其应用 一、光子晶体简介 1、光子晶体的概念： 光子晶体( Photonic Crystal) 是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料,按照其折射率变化的周期性,可以分为一维、二维和三维光子晶体。 图1 光子晶体空间结构 光子晶体也叫电磁晶体(elect romagnetic crystals)或光子带隙( PBG—photonic band gap ) 材料,绝大多数光子晶体是由人工设计制造出来的,自然界中光子晶体很少,只有蛋白石和蝴蝶翅膀等。 光子晶体的基本特征是具有光子带隙,频率落在带隙中的电磁波是被禁止传播的。如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构,光子禁带只可能出现在这个方向上。如果存在三维的周期结构就有可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。据此光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。通常将在一维一个方向上具有光子带隙的材料称之为一维光子晶体,这种光子晶体在结构上最为简单,易于制备,目前在光纤和半导体激光器中已得到应用。 2、光子晶体与半导体材料相比较： 光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带) ,电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传播。在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场。当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射也会产生带隙,即光子带隙。频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的。 由于光子晶体和半导体晶体某些特性相似,固体物理中的许多概念都可用于光子晶体,如能带、带隙、能态密度、激发态、缺陷态、束缚态(局域态) 、施主态、受主态、倒格子、布里渊区、色散关系、布洛赫(Bloch) 波等,很多用于研究半导体晶体的方法也用于研究光子晶体。光子晶体与半导体晶体有相同的
光子晶体与超材料 1.引言 超材料是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。超材料指的是一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。从本质上讲，更是一种新颖的材料设计思想，这一思想是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。 光子晶体作为一类可能在未来信息技术中发挥重要作用的“超材料”系统。这类材料的基本特征是通过和电磁波波长相当的尺度上的人工周期性性结构对一定频段的电磁波形成“带隙”，类似与半导体的晶体结构对电子物质波的调制而形成电子能带带隙一样。这类材料已在一些信息器件中获得了应用。本文主要目的是论述光子晶体的相关研究进展，在此基础上，简单介绍其他几类超材料。本文分为三部分内容进行叙述:光子晶体的概念及特性；光子晶体的制备与应用；其他几类超材料的简单介绍。 2.光子晶体的概念及特性 2.1光子晶体概述 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。 1987年，E.Yallonovitch［i］和S.John［2］在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体（又称光子禁带材料）的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 由于光子在光子晶体中的行为类似于电子在天然晶体（从某种意义上来说可以叫做电子晶体）中的行为，固体物理中的许多概念都可用在光子晶体上，如倒格子、布里渊区、色散关系、Bloch函数、Van Hove奇点等。由于周期性，对光子也可以定义有效质量，不过需要指出的是光子晶体与电子晶体有相同的地方也有本质的不同［3］。 2.2光子晶体的结构 对应于一维、二维、三维方向上电介质周期性排列结构则为一维、二维、三维光子晶体。三种光子晶体的空间结构示意图如图1所示［备光子晶体的主要参数是晶格常数，它应与光波波长可比拟。一维光子晶体的常用结构是两种介电常数的介质呈多层周期分布。但这与波动光学中的多层介质膜在概念上有根本区别。也可以做成一维金属一介电光子晶体，它可以呈现在可见波段透明、而在紫外波段和红外波段至微波波段不透明的特性。
光子晶体水凝胶传感器的研究进展 光子晶体水凝胶传感器在一定外界条件刺激下，其水凝胶体系会发生膨胀或收缩，进而引起光子晶体的光子带隙改变而产生响应。本文主要对光子晶体水凝胶传感器的原理及应用现状进行了综述，并提出了展望。 标签：光子晶体；水凝胶；传感器 1 前言 光子晶体是由2种或2种以上具有不同介电常数（折射率）的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的具有有序结构的材料。电磁波在这种材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制，从而形成类似于半导体能带结构的光子能带。光子能带之间如果没有重叠，就会形成光子带隙。频率落在带隙中的光子无法在光子晶体中传播，所以光子晶体又被称为光子禁带材料[1，2]。按光子晶体折射率变化的周期性，可将其分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体，见图1。 一维光子晶体是指在一个方向上具有光子带隙的材料，图1-A是简单的一维光子晶体结构，它是由2种介质交替叠层而成的。在二维方向上具有光子带隙的材料叫二维光子晶体。典型的二维光子晶体结构（如图1-B）是由许多二维介质棒平行而均匀地排列而成。三维光子晶体是指在全方位上都有光子带隙的材料（如图1-C），落在带隙中的光，在任何方向上都被禁止传播[3]。光子晶体会产生特征性的Bragg衍射，衍射峰的波长表达式为：kλ=2d（neff2-sin2θ）1/2，其中k 为衍射级数，neff为光子晶体的平均折射率，θ为光线入射的角度（如图1-D）。由表达式可知，Bragg 衍射峰的波长取决于材料平均折射率neff和晶格参数d。通过改变晶格参数调节光子禁带结构从而使Bragg衍射峰发生位移的主要是一些柔性的胶体光子晶体[4]，如水凝胶包埋的胶体光子晶体，填充有弹性体的胶体光子晶体等。其中将水凝胶与光子晶体结合在一起制备出具有自表达特性的光子晶体水凝胶传感器已成为研究的热点。 凝胶是指含大量溶剂的三维网状结构的高分子聚合物。其网络结构一般由大分子主链及含有亲水基团和疏水基团的侧链构成[5]。智能水凝胶是一类能够响应外界刺激信号（如温度、pH值、溶剂、离子强度、电场、磁场、光、压力和特异分子等）的变化而产生可逆体积相变的水凝胶[6]。由于它同时具备了感应和响应功能，因此，如果将水凝胶与光子晶体结合起来，通过智能水凝胶对环境做出敏感响应从而引起水凝胶体积的膨胀、收缩或相转变，进而引起光子晶体光子带隙的变化，使Bragg衍射峰发生位移，宏观上可通过观察衍射峰的位移或颜色变化来对其响应性进行评价。其中颜色变化最为直观，可以被人的裸眼观察到。凝胶光子晶体在医学、生物学等领域都有成功的应用[7]。 2 光子晶体水凝胶传感器的原理及制备方法
光子晶体 姓名：赵凡凡 学号：10121938
光子晶体研究进展 摘要 光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。 关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组 我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。集成的极限在可以看到的将来出现。这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的将是光子。 光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料 [1,2]。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动 [3-5]。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。 1. 2.光子晶体简介 3.众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，
光子晶体技术的原理与应用近些年来，光子晶体技术在光学、光电子学、信息科学等领域中得到广泛的研究和应用，特别是在光学器件、光电器件、光传输、光刻等方面展现出前所未有的优越性。那么，什么是光子晶体技术呢？本文将从原理与应用两方面进行深入探讨。 一、光子晶体技术的原理 光子晶体技术是一种具有周期性介电常数分布的立体结构，可以引导和控制光波的传输和调制。这种结构通常是由原子或者分子的排列而成的，其周期性可以与光波波长同步。晶体中的原子或分子按照一定的规律排列，使得介电常数的分布出现周期性的变化，形成了“布拉格反射”的效应。因此，能够形成这样周期性介电常数分布的材料就叫做光子晶体。 光子晶体的折射率具有Bloch 波函数的本质，而Bloch 波函数是周期性的。因此，光子晶体可以表现出一些传统材料所不具备的特性。例如，光子晶体可以根据不同方向的周期性结构来选择和传输光，其光学性质可以被控制和调整，可以制备出结构与物性相匹配的多功能光学材料。此外，光子晶体具有高品质因子，
可以将光的半波长级别的能量完全聚焦在微型尺度中。因此，光子晶体具有较高的应用价值。 二、光子晶体技术的应用 1. 光子晶体光波导器件 光子晶体光波导器件是一种利用光子晶体技术制备的微型光学器件，在光通信和光电子器件方面具有广泛应用。该器件具有高品质因子，能够将光线引导入微型管道，从而可以将光能耗尽地传输，实现低损耗的信息传递。此外，光子晶体光波导器件还可以用于制备高灵敏度、高准确度、小体积的物理传感器，例如微型压力传感器、光纤加速度计等。 2. 光子晶体微透镜 微透镜是光电器件中的重要组成部分，可以把光分散或者聚焦在微小区域，从而提高光学设备的分辨率和功效。利用光子晶体技术可以制备出光子晶体微透镜，这种微型透镜可以将光线聚焦
光子晶体材料的研究进展及其应用前景 随着科学技术的不断进步，人类在材料领域的研究也逐渐深入。其中，光子晶体材料作为一种前沿材料，受到越来越多的关注和 研究。本文将从定义、研究进展和应用前景三个方面介绍光子晶 体材料。 一、定义 光子晶体材料是一种新型晶体材料，具有周期性的光学性质， 与普通石墨烯等材料不同，它是一种具有光学结构的材料。所谓 光学结构，是指物质的微小结构排列形成的一种如同棋盘格一样 的结构，这种结构可以限定光的传播方向和波长范围。 二、研究进展 1. 光子晶体材料的制备技术不断提高 光子晶体材料的制备技术主要包括自组装、浸渍、拉伸、方法 等多种方法。近年来，制备技术不断提高，材料的质量和稳定性 也得到了不断提高。
2. 光子晶体材料的性质研究逐渐深入 在光子晶体材料的制备基础上，人们开始对其性质进行深入研究。例如光子晶体材料的透过光谱、反射谱和色散曲线等性质都 成为了研究对象。通过对这些性质的研究，人们可以了解材料的 光学性质，并进一步研究材料的应用前景。 3. 光子晶体材料的应用领域不断扩展 光子晶体材料可以应用于电子领域、化学领域、材料研究领域 等多个领域，其应用前景越来越广阔。例如可以应用于储能器件、传感器、太阳能电池等领域。 三、应用前景 1. 储能器件
光子晶体材料具有高禁带宽度和低折射率等性质，与常规储能材料相比，其储能能力和稳定性得到了良好提升。因此，光子晶体材料被广泛应用于储能器件领域。 2. 传感器 光子晶体材料具有高灵敏度和选择性等性质，这使得光子晶体材料可以应用于传感器领域。例如可以应用于气体、水质、温度传感等领域，使得传感器的快速响应和灵敏度得到了良好提高。 3. 太阳能电池 光子晶体材料可以制备成具有不同孔径和结构的二维和三维结构，这使得其可以作为高效太阳能电池的构建单元。例如可以制备成具有周期性微纳结构的薄膜，该薄膜具有较高的吸收率和低反射率，因此被广泛应用于太阳能电池领域。 综上所述，光子晶体材料作为一种新型晶体材料，具有众多优良的性质，并且在应用领域上具有广泛的发展前景。可以预见，
光子晶体材料的研究进展与应用前景随着人们对新材料研究的日益深入，光子晶体材料引人注目。光子晶体材料是一种新型的功能材料，它能够对光波进行控制，达到调控光波传播和辐射的效果。在光通信、光储存、光显示、光传感和光催化等领域都有广泛的应用。本文将重点介绍光子晶体材料的研究进展和应用前景。 一、光子晶体材料的基础 光子晶体材料是一种具有定向光子禁带结构的材料。它的特点是光子禁带具有宽带、光学性质可调和灵活可控。光子晶体材料通常由光波导层、光子晶体层和边缘层组成，光子晶体层是由周期性高、低折射率的介质构成的。通过光子晶体层对光波进行调制和控制，可以达到控制光波在材料内传播和发散的效果。 二、光子晶体材料的研究进展 1.光子晶体材料的合成技术
光子晶体材料的合成技术是光子晶体材料研究的关键。通过不同的合成技术可以得到不同结构的光子晶体材料。目前主要的光子晶体材料合成技术有自组装法、溶胶凝胶法、激光制造法、等离子体蚀刻法等。 2.光子晶体材料的光控制效应 光子晶体材料的物理效应主要包括Fabry-Perot腔效应、布拉格反射、全反射和禁带效应等。禁带效应是光子晶体材料的核心功能，是光子晶体材料吸收或反射光波的效应。禁带的位置和宽度与材料周期、介电常数有关。 3.光子晶体材料的应用 目前，光子晶体材料已经在各个领域有着广泛应用。在光通信领域，利用光子晶体材料的禁带效应可以制造出高效的光耦合器和复用器。在光存储领域，利用光子晶体材料的周期性结构可以提高光储存密度和稳定性。在光传感领域，光子晶体材料可以用于制造高灵敏的光扩散传感器和光子晶体波导传感器。此外，在光催化领域，光子晶体材料可以用于制造高效的催化剂和光催化反应器。
光子晶体材料研究进展及应用前景 随着科学技术的不断进步，人们对于材料的研究也越来越深入。在新材料领域中，光子晶体材料的研究一直备受关注。它的出现不仅改变了传统材料的性质，而且在光电子、能源等领域具有广泛的应用前景。本文将介绍光子晶体材料的研究进展及其应用前景。 一、光子晶体材料的基础概念 光子晶体材料，其实就是一种具有光子带隙的晶体材料。简单来说，就是通过 在材料中引入周期性结构，从而达到对于某些频率的光线有选择性的反射或折射，使其不能通过材料的表面，从而形成光子带隙。光子晶体材料不仅可以对于光线起到滤波器的作用，而且具有传统材料所没有的一些新颖性质，比如能够在材料内部引发较为复杂的相互作用，从而实现信息处理、光学传输等。 二、光子晶体材料的研究进展 1. 光子晶体材料的制备 光子晶体材料的制备是研究的基础。传统的光子晶体材料制备方法包括光刻、 等离子体刻蚀、溶胶-凝胶法等。然而，这些方法不仅操作复杂，而且成本较高。 因此，研究人员开始关注通过自组装的方法制备光子晶体材料。目前，自组装光子晶体材料的制备方法包括: 溶液自组装法、模板法、电沉积法、表面修饰法等。这 些新的制备方法的出现，使得光子晶体材料制备变得更加容易和便捷。 2. 光子晶体材料特殊性质的研究 对于光子晶体材料的特殊性质的研究，则是深入理解该材料的关键所在。目前，研究人员发现，由于光子晶体具有纳米级别的周期性结构，其表现出来的性质和传统材料是不同的，比如光子晶体的多级结构和空洞结构的存在使得材料中存在的能
带不止一个，从而能够过滤更宽波长的光线。此外，研究人员还发现当光子晶体中存在缺陷时，其在光电子学、微波强度识别、传感器等方面的应用具有广泛的前景。 三、光子晶体材料的应用前景 1. 光子晶体过滤器 由于光子晶体材料能够对于特定波长的光线进行选择性的反射或折射，发挥着 像过滤器一样的作用，因此其被广泛地应用于光子晶体过滤器的制造中。在光纤通讯技术方面，光子晶体过滤器可以滤除带宽噪声，提高信号的传输质量和分辨率；在图像处理方面，它可以过滤掉光干扰，减少图像的噪声和失真，提高图像的清晰度和质量。 2. 光子晶体传感器 光子晶体材料的一大应用领域是传感器制造领域。光子晶体传感器不仅可以用 于化学和生物领域，还可以用于制造智能传感器。其原理是，在这样的材料中放置特定的物质，当光通过材料时，特定物质和光发生相互作用而导致其反射或吸收产生变化。这种变化成为光子晶体传感器检测的信号。其具有极高的敏感性和选择性，可以检测非常微小的物质。 3. 能源领域 光子晶体材料在能源领域具有广泛的应用前景，比如在太阳能电池中，通过将 光子晶体材料置于电池的反射面或在反射面上采用具有光子晶体结构的透镜形成波导，可以实现对太阳能辐射的光线进行筛选、增强或聚焦，从而提高电池的光-电 转换效率。近年来，光采集是用于制备超级电容器等新型电子器件的关键技术之一，而光子晶体材料是一个极具应用潜力的光采集器。 综上所述，光子晶体材料的研究在材料科学领域中具有重要地位。其特殊的性 质和广泛的应用前景，使得光子晶体材料被认为是一种新型多功能材料，其在信息处理、光子学、能源和生物技术等领域将有着广阔的应用前景。
反蛋白石结构光子晶体 理学名词：反蛋白石结构(inverse opal)代表了一大类可望实现完全光子带隙的结构。这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质（例如空气）的比值达到一定的数值时，其周期对称的结构将出现完全光子带隙。 简介： 它以SiO2，PS，PMMA等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，填充完毕待材料在空隙间矿化后，通过锻烧、化学腐蚀、溶剂溶解等方法除去初始的SiO2或聚合物模板。原有的模板除去后得到规则排列的球形的空气孔，空气的折射率接近1，要求填充材料有高的折射率(如2.8)和所在波长的光学透明。 特性： 光子晶体的带隙越宽，其性能越好。一般而言，光子禁带会受到晶体的晶格结构及两种介质的填充率、介电常数比的影响。对于晶格结构，完全禁带更容易出现在具有近球形第一布里渊区的结构中，因此二维六角结构和三维面心结构能得到较大的带隙。周期排列的两种介质的介电常数差越大，布拉格散射越强烈，就越有可能出现光子禁带。 由已有的研究得知，降低光子晶体的对称性，可以增大光子晶体的带隙。球形构成的fcc结构具有很高的对称性，对称性引起的能级简并使它难于产生完全禁带。为了消除对称性，在fcc结构的晶胞内引入两个球形粒子构成diamond结构，能产生很宽的完全禁带。woodpile结构具有面心四方对称性，它可以看成是fcc结构沿垂直方向伸长后的结构。通过理论计算发现，fcc结构由于高对称性引起的能级简并，除了在背景材料为高介电材料、空气小球密堆积排列时能产生完全禁带，其他情况下不产生完全禁带。diamond结构实际上是基于双球结构的fcc结构，相比fcc结构，它的对称性明显降低，更容易产生完全禁带。在高介电材料中钻孔形成的diamond结构比由介质小球
光子晶体和光子晶体结构 光子晶体是一种具有周期性层状结构的材料，其特点是能够控制光波的传播和调制。光子晶体的研究和应用在光学、电子、通信等领域有着广泛的应用前景。 光子晶体结构的形成是通过改变材料中介质折射率的分布而实现的。光子晶体的基本单元是具有不同折射率的周期性结构，每个单元的尺寸一般在光波的波长范围内。通过改变周期性结构的尺寸和形状，可以调控光的传播速度、频率和波长选择性。光子晶体能够形成光子带隙，使光波在特定频率范围内被禁止传播，这种特性使得光子晶体在光学器件设计和光学信号处理中具有重要的作用。 在光子晶体的研究中，最常见的结构包括一维、二维和三维的光子晶体。一维光子晶体是由多个介质层交替叠加而成，如Fabry-Perot腔、DBR腔等，可用于制备窄带滤波器和调制器。二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球状结构组成，可用于制备光学波导、微透镜和分光器。三维光子晶体具有更复杂的结构，可以形成全息拓扑结构，制备出具有高度对称性和复杂功能的光学器件。 光子晶体的制备通常采用自组装、光刻、溶胶凝胶法等方法。其中，自组装是一种常用的方法，通过微流控技术和界面控制来实现光子晶体的组装。自组装方法可以制备出具有高度有序结构和周期性的光子晶体，并且具有较高的可扩展性和可控性。 光子晶体的应用涵盖了众多领域。在光学传感方面，光子晶体可以通过改变环境折射率来实现对光波传播的调控，从而实现对环境中物质浓度、温度和压力等参数的检测。在光学通信中，通过光子晶体的结构设计和调控，可以实现高效率的光信号传输和调制，提高通信系统的性能。此外，光子晶体还可以应用于光子计算、光子集成电路、太阳能电池和光子器件等领域。 光子晶体的研究还面临着一些挑战。首先，光子晶体的制备技术需要进一步发展，提高自组装方法的可控性和稳定性。其次，光子晶体的性能和应用还需要深入
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利申请 （10）申请公布号 CN105525343A （43）申请公布日 2016.04.27（21）申请号CN201510956449.X （22）申请日2015.12.18 （71）申请人中国科学院理化技术研究所 地址100190 北京市海淀区中关村东路29号 （72）发明人王京霞;刘俊超;江雷 （74）专利代理机构北京正理专利代理有限公司 代理人张文祎 （51）Int.CI C30B29/02; C30B19/00; 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 一种蛋白石结构或反蛋白石结构碳点光子晶体的制备方法及应用 （57）摘要 本发明公开一种具有光子带隙调制光限幅 及防伪性能的蛋白石结构或反蛋白石结构碳点光 子晶体的制备方法及应用。所述方法为以聚苯乙 烯微球为原料采用竖直沉积法组装光子晶体模 板，再采用牺牲模板法制备反蛋白石结构的碳点 光子晶体；或者是在合成二氧化硅微球的过程中 加入碳点溶液，制备出不同粒径的含有碳点的二
氧化硅微球，再采用竖直沉积法组装成蛋白石结 构的碳点光子晶体。本发明得到的碳点光子晶体 根据带隙的不同对激光具有很好的光限幅调制行 为。同时利用光刻模板使制备的碳点光晶图案 化，结合其在不同激发光下发出不同颜色荧光的 特性，可用于防伪图案方面。本发明方法操作简 单、成本低廉、适合大规模的制备具有特殊功能 性的碳点光晶。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2016-04-27公开公开 2016-04-27公开公开 2016-05-25实质审查的生效实质审查的生效 2016-05-25实质审查的生效实质审查的生效 2018-03-16授权授权
光子晶体的研究进展与应用前景光子晶体，是一种新型的微结构体系，它的特殊结构可以通过 控制光的传播来实现光学调控，这种调控效果不同于常规的材料 吸收和散射，而是通过物质本身对光的反射、干涉和色散等效应 来实现。近年来，光子晶体在材料科学、光电子学、能源科学等 领域的研究和应用，引起了广泛的关注。 第一部分：探究光子晶体的结构和特性 光子晶体的结构具有层次性、周期性和晶格对称性等特点。它 通常由两种或以上的介质组成，其中一种介质的折射率高于另一 种介质，两种介质的排列是周期性的。这种结构可以形成“禁带”，即某一波长的光在晶体内无法传播，这种现象称为光子禁带带隙。而在禁带带隙之外，光子晶体的折射率会出现突变，产生反射、 衍射等现象，这些现象可以通过改变光子晶体的结构实现光学调 控效果。 光子晶体的调控效果在不同的波长范围内有着不同的应用。例如，在可见光范围内的调控效果被广泛应用于颜色滤光片、人造 宝石、彩色涂层等领域；而在紫外和红外波段，则被应用于太阳
能电池、激光器、光波导等领域。此外，光子晶体还可以用于制 备柔性光子晶体、聚合物光子晶体、介孔光子晶体等新型材料。 第二部分：探讨光子晶体在材料科学中的应用 光子晶体在材料科学中具有广泛的应用前景。例如，在纳米电 子学中，光子晶体可以用于制备微型光学器件，例如微型激光器、微型光学谐振腔等。这些器件的尺度可达到纳米级别，并具有较 高的品质因子和精确的光学调控性能，这对于提高微型器件的性 能和减小尺寸有着重要的意义。 另一方面，光子晶体在能量领域也有着广泛的应用，例如在太 阳能电池中，光子晶体可以用于提高光吸收率和防反射效果，从 而提高电池的能量转换效率。同时，在固体氧化物燃料电池中， 光子晶体也可以用于提高电化学反应的速率和效率。这些应用不 仅有助于促进新型能源的开发和利用，还可以优化能源的转化效 率和节约能源的消耗。 第三部分：探讨光子晶体在光电子学中的应用
光子晶体的制备及其光学性能研究 光子晶体是一种光学材料，由于其具有调控光学性质的能力，引起了人们的广泛关注。光子晶体是由周期性排列的空气球或其他介质球之间的多个相互作用构成的。其中，光子晶体中的布拉格衍射是最突出的特点之一。本文将详细介绍光子晶体的制备及其光学性能研究。 一、光子晶体的制备 光子晶体的制备方法主要有自组装方法和仿生学方法两种。 自组装方法：采用自组装方法制备光子晶体，需要将适当比例的介质球均匀分散在溶液中，通过自组合形成晶体。自组装方法制备光子晶体的关键是要能够使介质球自然地组装在一起，同时还需要使晶体具有高质量和周期性。实践证明，使用等体积随机分散的介质球即可实现此目标。 仿生学方法：仿生学方法是最新的制备光子晶体的方法之一。此方法主要是通过基于天然生物学的制品，例如贝壳，控制和建立光子晶体的形成。仿生学方法制备光子晶体的优点在于，可以通过仿生学方法调节光子晶体的形成，从而产生特定的光学性质。 二、光子晶体的光学性能研究 1. 布拉格衍射 光子晶体最主要特征之一是布拉格衍射，该特征是由于晶体中的介质球或组分单位形成有序排列，从而形成一个三维周期结构，同时晶体还具有由介质球或组分单位间引起的相互作用。这些相互作用可被视为两个波的干涉。在光子晶体的三维周期性结构中，入射光和反射光之间的干涉，会产生由衍射图案中的明暗带表示的“布拉格反射”。由于光子晶体中晶格常数存在周期性的变化，因此能够在光子晶体里面控制衍射。
2. 光子能带结构 光子能带结构是光子晶体重要的物理性质。在固体中，电子能带结构对于电子在固体中移动和输运至关重要。光子能带结构同样也关乎电磁波在物质中的传播和输运性质。当光子晶体的晶格结构周期性变化时，光波在晶格中的传播受到影响，从而导致了特殊的光学特性。光子晶体的光学性能是由其结构和光子能带结构决定的。 3. 常见的光子晶体材料 目前，常见的光子晶体材料主要有三类，包括高分子材料、金属材料和半导体材料。高分子材料通常使用膜的自组装，控制结构的层数控制制备，该材料类具有高度的可控性和可操作性；金属材料对于大多光学应用具有高的黄金光学效率但却具有较小的透明性；半导体材料具有较高的透明率和较多频相控性，往往适用于制备二维平面型的光子晶体。 结论 随着光子晶体材料制备和应用的日益发展，它们在光电存储、色谱、光学波导和光学传感器领域中的应用值得关注。光子晶体材料在几何和光学特性之间的相互依赖性，为实现对光和其他波射线的完全控制创造了许多新的机会和挑战。
光子晶体波导光学性质研究及其应用 光学材料的研究是光学领域的重要研究方向。其中，光子晶体波导光学性质的研究引起了广泛关注。 光子晶体波导电磁波的传播方式与普通光导波导有所不同。普通光导波在传播过程中，会由于材料的折射率和波导结构的变化而发生折射和反射现象；而光子晶体波导则是利用了光子晶体的周期性结构，通过禁带的产生而实现光的完全反射和传播，避免了光本身的耗散和散射。 光子晶体波导通过周期性结构的构成和控制，可以实现高度可定制化和可调控的光学性能。通过控制光子晶体波导的几何形状和材料的折射率等参数，可以实现光子晶体波导的禁带调制和光流的调控。 光子晶体波导在光通信、可见光通信、半导体激光器、光传感等领域都有广泛应用。其中，光子晶体波导在微纳米光子学研究中具有广泛应用前景。 在微纳米光子学研究中，光子晶体波导可用于制备微纳米光学模拟器和微纳米光子学逻辑门等微纳米光子学器件。光子晶体波导可以为微纳米光学模拟器提供一个完整的光路系统，使得微纳米系统中的光子传输行为可以得以控制。该技术的研究不仅可以为微纳米光子学领域的研究提供新的方式，而且对于微纳米光子学器件的实际应用也有很大的推动作用。 此外，光子晶体波导在生物医学领域也具有广泛的应用前景。以微纳米生物传感器为例，光子晶体波导可以作为核心元件，通过控制生物材料和光通量之间的相互作用，实现对细胞和分子级别的检测。这种传感器具有高灵敏度和高选择性，可以将其用于癌症筛选、生物体内成像等领域。 总之，光子晶体波导的研究在微纳米光子学和生物医学等领域都具有广泛的应用前景。在未来的研究中，我们期待看到更多关于光子晶体波导的研究成果，为光学领域的发展做出更大的贡献。
三维磁性光子晶体的研究进展探讨 磁性光子晶体指的就是将磁性引入到光子晶体之中。光子晶体是一种人工的微结构，是 由介电材料周期性排列形成的。在周期性介电结构中，光进行传播的时候和电子在其中传播 的时候比较相似。介电常数增大到与光波长相等的时候，介质的布拉格散射就会出现一些带隙，俗称光子带隙。光子在这种带隙的区域内的传播是被严格的控制的，在宏观的角度上出 现反射率比较大而透射率比较小的情况。磁性光子晶体就是在晶体的基础上具有磁性，能够 衍生出更多的性质，衍生的新性质在多个领域中具有很大的应用价值，比如环形器、光信息 存储、隔离器等。 1. 三维磁性光子晶体结构 磁性光子晶体根据结构的不同大致可以分为三种，分别为一维磁性光子晶体、二维磁性 光子晶体和三维磁性光子晶体。三维磁性光子晶体的结构更加的复杂，制造工艺和流程的要 求比较严格，目前的三维磁性光子晶体结构主要有四种：分别为蛋白石结构、反蛋白石结构、磁性核壳结构、仿生结构等。 1.1蛋白石结构 蛋白石结构的组成一般为亚微米或者微米，组成排列的形状是六角最密堆积自组装而成。微球材质中一般都含有二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等物质，其中微球的制备方 法因为材质的不同而有所差别，二氧化硅微球的制作方法一般是通过Stber法，聚丙乙烯微 球的制作方法一般是无皂乳液聚合法。微球自组装蛋白石结构的光子晶体方法比较多，目前 我们实际中应用比较多的就是提拉法和垂直沉积法。垂直沉积法是在微球的分散液中插入玻 璃基底，溶液都会产生蒸发的作用，在毛细力的作用下，微球会在基底的表面形成六角密堆 积排列；提拉法是将基底利用机械臂保持一定速度的上提，从而能够有效地控制基底的生长 厚度。 1.2反蛋白石结构 反蛋白石结构是在蛋白石结构的基础上进行一系列的加工得到的。蛋白石结构中微球和 微球之间都会产生空隙，反蛋白石结构就是将介电材料添加在这些的孔隙之中，导致原来的 微球被剔除，从而产生剩余孔隙填充物的结构。其中对于填充物的选择种类比较多，可以选 择金属氧化物，碳、硅等非金属单质，金属或者有机高分子材料等。进行填充的方法也会根 据填充物的材料不同有所差异，例如使用金属氧化物进行填充的时候一般使用溶胶、凝胶等 方法；碳、硅化合物进行填充的时候一般使用CVD方法；金属材料进行填充的时候一般使用 电化学方法；有机材料进行填充的时候一般使用单体聚合法。我们在对微球模板进行选择的 时候，一般选择PS材质，因为PS材质在高温的条件下可以方便、快捷的去除，常温下也能 去除。 1.3磁性核壳结构 磁性核壳结构也是在蛋白石结构的基础上，采用磁性核壳微球自组装形成的。自组装的 方法也比较多，我们主要利用外加的磁场对微球进行排布，不同微粒微球之间的组装主要是 通过外场的强度和位置进行控制。同时在微球的外表面在加入一层位阻层，也可以让微球带 同种电荷，这样微球之间就会产生一种排斥，微球之间的距离会因为外磁场的变化而产生一 定的变化，光子禁带的波长也会产生位移，出现磁致变色的效果，以上的结构我们就会称为 磁感应光子晶体结构。 1.4仿生结构
光子晶体的发展及应用 光子晶体（Photonic crystal）是一种由具有周期性折射率分布的材料组成的光学结构，具有使特定波长或频率的电磁波波长长波或停波效应的能力。随着科学技术的不断发展，光子晶体的研究逐渐深入，其在信息、光学、电子、生物等多个领域中的应用也不断拓展。 光子晶体的发展 20世纪80年代初，人们开始研究周期性介质的电磁波传输现象，从而引发了对光子晶体的研究。1990年代初期，美国贝尔实验室和加州大学博士后思高奇（Sajeev John）等人建立了第一个具有完全光子禁带结构的光子晶体结构，这使光子晶体材料一跃成为热门研究课题。 2000年以后，光子晶体的发展出现了许多新的进展。一方面，科学家在光子晶体材料的性质、结构设计和制备等方面进行了大量的研究，不断推进了光子晶体的实用化。另一方面，光子晶体的具体应用也不断涌现，涉及到了信息通信、生物光子学、光源技术等多个领域。 光子晶体的应用 1.光子晶体在信息通信领域的应用
光子晶体的最基本的应用是在信息通信领域。由于其禁带效应的抑制，光子晶体能够有效地控制光传输的方向和光强度，并能够实现光子晶体通信中的频率分解和空间分解。因此，光子晶体材料非常适合用来制造高速光通信系统的滤波器、耦合器、多路复用器和分路器等组件。 2.生物光子学中的应用 在生物光子学领域，光子晶体可以用于检测和响应化学和生物元素与光的相互作用。这一领域的研究可以使得生物分析与诊断更加便捷、快速和准确，同时为生物学领域的药物发现和基因分析提供新思路。 3.光源技术的应用 利用光子晶体完成了光场的空间调制和析取，相应的光谱也就从原来的连续光带扩展到了数字化的离散光带。这样，光源的波长便可以被精确地加以控制和调节，因此被广泛应用于激光塞曼慢器、隧道排放光谱仪等领域。 光子晶体虽然在应用方面存在各种局限性，在实际应用中存在多种选择，可是其独特的光学特点使得光子晶体在未来光学和信息技术领域都有着广泛的应用前景，并且能为许多领域的发展提供新的动力。
光子晶体的应用 引言 光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。 1.光子晶体简介 1．1光子晶体的由来与概念 光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。 光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。由于光子和原子问的耦合与原子的始末状态密度有关。如果电磁波的带隙与电子能带带边重叠，那么电子、空穴的辐射复合就会因状态密度的减少而被强烈的抑制，介质结构在理论上讲是没有损耗的，这种抑制将会比金属波导更为彻底。据此，可以设计一些特殊的介质结构，按照需要来“剪裁”电磁波的色散关系，使电磁波的状态密度适当得被压缩或增加，甚至使某些状态密度为零，相应器件的模式就能得到控制，以满足器件工作的要求。与一般的晶体相
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用； 1光子晶体简介
在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。其实不管任何波，只要受到周期性的调制．都有能带结构，也都有可能出现带隙。能量落在带隙