SiO_2光子晶体的制备及其自组装带隙特性研究

首先运用Stober溶胶凝胶法制备单分散Si02球形颗粒,通过扫描电镜研究各种反应条件如氨水浓度、无水乙醇的量、TEOS的浓度、温度等对二氧化硅的颗粒大小和形貌的影响,并通过SEM对样品的表面形貌进行了表征。通过研究改变垂直沉积法的各种条件对组装成的Si02光子晶体的带隙特性的影响。分析微球粒径、悬浮液中微球的体积分数、基片与液面之间所成的角度对光子晶体带隙性能的影响,并总结了较佳的垂直沉积法条件。     

单分散性sio2胶体微球自组装光子晶体的实验研究

光子晶体是一种周期性电介质材料,具有光子带隙和光子局域等一系列优异的光学特性。制备了多种不同直径的单分散二氧化硅胶体微球,采用垂直沉积法将不同直径,以及同一直径不同浓度的二氧化硅胶体微球自组装成多种光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜和紫外—可见—近红外分光光度计对其微观结构和光学特性进行了表征,结果表明所得晶体薄膜具有三维有序结构,其表面存点、线缺陷。自组装得到的光子晶体薄膜存在明显的光子带隙特征,带隙位置与二氧化硅胶体微球直径有关,带隙中心波长与理论值一致。随着二氧化硅胶体微球浓度的增加,光子带隙深度增加,特性更好,但是,当浓度大于10%时,光子带隙的深度反而减小。     

二氧化硅胶体光子晶体的光学特性研究

采用垂直沉积法自组装SiO2胶体光子晶体,并利用紫外-可见-近红外分光光度计对胶体晶体的光学特征进行了研究。结果发现,二氧化硅胶体微球的浓度越大,光子带隙深度增加,透射率变小,但光子带隙中心波长位置保持一致。此外,当入射光以不同的角度入射到样品表面时,其透射光谱具有新颖的光学特性,其成因被探究。     

倾斜底涂法制备聚苯乙烯胶体晶体及其光学特性研究

采用倾斜底涂法将单分散的聚苯乙烯胶体微球自组装生长成为胶体晶体,并用扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计对其形貌和光学特性进行测量。结果表明,聚苯乙烯微球自组装为面心立方密堆积结构,胶体晶体的光子带隙位于可见光波段。分别对不同胶体颗粒的粒径、悬浮液的浓度、基片倾斜角度及环境温度等制备条件下生成的聚苯乙烯光子晶体样品逐一分类对比,分析了影响光子带隙宽度和深度的因素。     

方形螺旋光子晶体的能带结构研究

介电常数在三维空间成周期性分布的三维光子晶体因具有全光子带隙而具有重要的应用价值。一种由方形螺旋周期性排列而成光子晶体不仅具有稳定的宽光子带隙,并且可以通过一种基于物理气相沉积的倾斜角沉积法经一步制备完成而具有自组装制备的优势。本文通过数值计算对方形螺旋光子晶体进行能带计算与优化,得到了一种宽带隙方形螺旋结构,并且研究了占空比与带隙宽度的统计分布,讨论了螺旋结构方位角对带隙宽度的影响。     

垂直沉积法在GaAs衬底上制备有序SiO2胶体晶体

报道了一种利用直径为286nm的单分散SiO2胶体颗粒制备胶体晶体的方法。乙醇悬浮中的SiO2颗粒通过毛细作用力在垂直插入其中的GaAs衬底表面自组装成胶体晶体。扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见分光光度计对胶体晶体的形貌和光学特性进行了表征。结果显示,所得到的胶体晶体膜具有较好的三维有序结构。分析了退火对样品光子带隙的影响。     

光子带隙型光子晶体光纤的研究

实验证明,空心的空气-石英光子晶体光纤的纤芯可以局域光,并在理论的基础上,得到光子带隙存在的条件,特定的波带受到限制并沿光纤传导;与每一个波带相对应的光子晶体包层中出现一个完全的二维光子带隙,随着空气填充率的增加,光子带隙的相对大小也会随之变大,而且当减小空气孔尺寸时,光子带隙将被抑制。采用透射谱法在红外波段对带隙型光子晶体光纤进行测量,通过比较光纤的透过谱与光源的光谱,确定是否存在光子带隙。     

基于光子晶体的物质的量浓度测量研究

采用平面波展开法模拟graphite格子二维光子晶体的禁带结构,研究了三种溶液温度和质量摩尔浓度分别对光子带隙的影响。其中半乳糖、木糖和核糖溶液分别为graphite格子二维光子晶体的空气孔介质材料。结果表明,当质量摩尔浓度恒定而温度变化,光子带隙随其发生变化;而当溶液温度恒定时,光子带隙随溶液质量摩尔浓度发生变化。较高质量摩尔浓度和较高温度的溶液更容易形成光子带隙。在某些情况下,核糖溶液比半乳糖和木糖溶液更容易实现光子带隙。     

光子晶体带隙法在溶液浓度测量中的应用

本文从光子晶体带隙理论出发,分析了相对带隙宽度与测量溶液浓度的之间的对应关系,提出了采用光子晶体平面波展开法测定牛奶浓度的新方案。通过研究以硅半导体材料为背景介质周期性排列空气孔圆柱构成的光子晶体,发现在高频率区域,二维三角晶格结构各向同性光子晶体的光子带隙随待测溶液百分浓度不同而单调变化的。这对浓度测量和高血糖患者的临床应用有一定的指导作用。     

一维光子晶体的带隙结构研究

利用时域有限差分法(FDTD)对光子晶体的传输特性进行了研究.计算了不同条件下完整结构阶跃型光子晶体的透过率谱.通过透过率谱的变化,分析了介质层数、介质所占空间配比、介质介电常数比对光子带隙的影响.发现介质层数的增加会使光子带隙拓宽并加深,但是带隙的位置不会移动;介质介电常数比越大,带隙越宽越深,也越容易出现带隙.     

High-quality SiO2 Colloidal Crystal Fabricated by Controllable Vertical Deposition Method

Monodispersed silica microspheres with diameter of 353 nm were assembled into photonic crystal in ethanol colloidal suspensions of varied silica volume fraction at different temperature and humidity by means of controllable vertical deposition method. The surface morphology and optical properties were studied by SEM and UV-Vis-NIR. It was found that the high quality silica colloidal photonic crystals were obtained from ethanol solutions with environment temperature between 45℃ and 55℃, humidity between 66% and 76%, the volume fraction of microspheres is between 0.8% and 1.5%, The ordered close-packed photonic crystal fabricated by controllable vertical deposition method had the two photonic bandgaps in the visible light band and near infrared band,     

单分散尺寸可控的SiO_2胶体微球的制备

采用改进的Stber方法-种子颗粒生长法合成高单分散性、尺寸可控的SiO2微球,该方法克服了Stber方法中SiO2胶体微球成核迅速、对反应条件敏感使最终微球粒径难以控制的缺点,在控制超细颗粒形貌和粒径方面具有显著的优越性。通过精细调制正硅酸乙酯(TEOS)、氨水和去离子水的浓度,探索了在最优条件下制备单分散度较高的SiO2微球的工艺技术,制备出23.4～471.3 nm不同尺寸的SiO2微球。结果表明,SiO2颗粒越小,其形貌越不规则;SiO2颗粒越大,其表面越光滑,单分散性越好。     

SiO2/Si光子晶体透射特性的数值研究

为了了解电磁波在2维三角晶格SiO2/Si光子晶体的传输特性,利用时域有限差分方法进行了数值模拟和计算,并研究了SiO2介质柱的形状和入射波模式的变化对晶体透射特性的影响。计算后得到多种情况下该光子晶体的透射率与入射光频率的关系曲线。结果表明,禁带的宽度和位置与构成光子晶体中SiO2的形状有关,SiO2柱半径变大则禁带变宽且禁带中心频率变大,半径为0.4α时,禁带宽度达到最大值。与TM模相比,TE模入射时,光子晶体更易形成禁带。这为光子晶体的实验制作和应用提供了理论依据。     

光子晶体的Smith-Purcell效应探讨

光子晶体是一种具有光子能带和能隙的一种新型材料,其典型结构为一个折射率周期变化的物体,周期为光波长量级。光子在这类材料中的作用类似于电子在凝聚态物质中的作用,应用前景极为广泛,将是新一代的光子器件的基础。而太赫兹也是近年来大家关注的波段,本文就研究光子晶体的Smith—Purcell效应出发,看其辐射频率,探求能否通过这种效应制作太赫兹源,并从Magic模拟得出了一些数据,说明可行。     

垂直沉积法制备高质量胶体光子晶体

利用乳液聚合方法制备了粒径约为262 nm的单分散聚苯乙烯(PS)微球。通过控制溶剂蒸发温度和液体表面下降的速度,用垂直沉积法较快速地制备出了在较大范围呈现很好有序性的密排结构聚苯乙烯胶体光子晶体,其在626 nm波长处存在光子带隙。在扫描电子显微镜(SEM)下,观察到该胶体光子晶体是面心立方(fcc)密排结构。实验结果表明,对于粒径为262 nm的聚苯乙烯微球,在温度为55℃,质量分数为0.3%的情况下,当液体表面下降的速度约为每天3 mm时,可以得到高质量的胶体光子晶体。这种高质量的胶体光子晶体可以为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供较理想的模板。     

Tunable,Gap‐State Lasing in Switchable Directions for Opal Photonic Crystals

A photonic crystal laser that is tunable throughout the visible in three‐dimensionally switchable directions is demonstrated. This photo‐pumped laser utilizes a dye‐infiltrated, single‐crystal SiO₂ opal having incomplete bandgaps. Our results support a gap‐state‐enhanced distributed feedback mechanism for lasing. Three different types of wavelength tunability are demonstrated, each applicable over a different frequency range and involving either single or multiple bandgaps. The many independent laser cavities that exist in one photonic crystal are demonstrated by simultaneously obtaining lasing in various colors and directions from an opal crystal. The observation of characteristic laser emission lines provides a new spectroscopy for characterizing intra‐gap photonic states, which may be useful for developing the photonic crystal analogues of electronic circuitry.     

平面微波光子晶体表面波带隙的直线法分析

运用直线法对一种以微带基片为载体的平面微波光子晶体进行了分析.详细介绍了直线法分析过程,并对直线法中阻抗矩阵的提取方式作出了改进.在不同的周期边界条件下,通过对由直线法所得的特征方程的求解,得出所对应的本征频点,从而求得整个平面微波光子晶体的表面波色散图,标明表面波带隙所在.文中分别对矩形贴片型以及环形贴片型光子晶体进行了分析.     

混合型Fe3O4@SiO2胶体光子晶体光传输特性的仿真分析

除了通过改变胶体粒子半径及晶格常数来实现对光子带隙的调控方式之外,能否利用不同尺寸粒子的混合精确控制胶体光子晶体的显色行为是人们关注的一个重要科学问题。在分析Fe₃O₄@SiO₂胶体光子晶体的带隙范围与介电常数、电磁波入射角度、晶格常数、颗粒尺寸、SiO₂包覆层厚度的依赖关系的基础上,利用数值仿真手段对不同尺寸粒子混合得到的光子晶体的光传输特性进行了研究。结果发现,两种粒径的磁性胶体粒子按不同质量比混合后,其光子带隙位置始终落在两种粒径胶体粒子各自形成光子晶体的带隙位置之间,且随着大粒径颗粒掺杂比的增加,反射光谱逐渐红移。这一结果证明混色原理对胶体光子晶体仍然是适用的。该结果对研究胶体光子晶体结构色的新型调控方式具有重要的参考价值。