L0:1Q1654j.cki.0D071230604.016 荔奉行期 o木是鹤n果 a 专题介绍 光半导体—光子晶体 张蜡宝，熊予莹，费贤翔，康凤 (华南师范大学物理与电信工程学院广东广州5631 摘要：概述了光子品体的特性、发展历程，理论基础及其潜在应用等特别介绍了光子品体的制备方法 关词。光子品体：光子禁指：制各方法：自组装法 中图分类号：0734 文献标识码：A 文章编号：10000712(200604004905 Crystal,简称PC)是指介电常 外，甚至可见光波段.通常，光子晶体可划分为 一维 量（或折射率）呈周期性变化的一类物质，通常具有 (1D)、二维(2D)和三维(3D)三种.介电常量在一个 能带结构，因此也称为光子禁带材料(Pholonic Band 方向上呈周期性，而在其他两个方向上不变时，通常 被称为一维光子晶体介电常量在两个方向上呈周 期性变化，而在另外一个方向不变时，被称为二维光 体。 子晶体：三维光子晶体依此类推，如图1所示.采用 1987年，E.Yablnovitch9和S.John在研究抑 二维光子品体制作的光子品体光纤具有高非线性 制自发辐射和光子局域时分别提出了光子晶体这 低损耗，完全单模性和独特的色散关系等特性，为相 新概念.190年，HoKM.等人从理论上计算了 关领域的研究提供了一个优越的平台.用三维光 种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。并由此预 晶体可以制作光子品体波导，光子品体偏振器、光子 测三维金刚石结构中存在光子禁带.1991年 晶体全反射镜等.光子晶体的出现为理论研究和技 Yablonovitch在实验室中采用人工制造出了第一块 术应用开辟了一片崭新的天地，它在光通讯、集成光 被认为具有完全禁带的三维光子品体.目前.光子品 路，微诺振腔，高效率发光一极管等方面都具有襟在 体的理论研究相对比较完善了，制备研究也取得了 的应用 长足的进展，从最初的毫米波段到微米、远红外、红 图1一维，二维、三维光子品体立体结构示意图 这种能带结构叫做光子能带(holonic Band).光子能 1理论基础 带可能出现带隙，即光子带隙(Photonic Band Ga即，简 光波（电磁波）在具有周期性介电常量的介质中 称PC),而落在带隙中的光是被禁止传播的，因此 传播时，由于布拉格散射受到调制而形成能带结构， 能将光子局域在某一区间.关于光子品体产生禁带 收日期.2D5-03-04楼回日期2005-2一15 基金项目.广东省自然科学基金资助顶目0315心】 作者简张特宝(1大男，四川有人华南德太学物两克电信工程H级件ights reserved.hitp:www.cnki.nc
收稿日期:2005-03-04;修回日期:2005-12-15 基金项目:广东省自然科学基金资助项目(031502) 作者简介:张蜡宝(1981—), 男, 四川仁寿人, 华南师范大学物理与电信工程学院 04级硕士生. 专题介绍 光半导体 ———光子晶体 张蜡宝 , 熊予莹 , 费贤翔 , 康 凤 (华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510631) 摘要:概述了光子晶体的特性、发展历程、理论基础及其潜在应用等, 特别介绍了光子晶体的制备方法. 关键词:光子晶体;光子禁带;制备方法;自组装法 中图分类号:O 734 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2006)04-0049-05 光子晶体(Photonic Crystal ,简称 PC)是指介电常 量(或折射率)呈周期性变化的一类物质, 通常具有 能带结构, 因此也称为光子禁带材料(Photonic Band Gap Materials).因其具有光子局域、抑制自发辐射等 特性 [ 1 , 2] ,故光子晶体被认为是控制光子的光半导 体. 1987 年, E .Yablonovitch [ 3] 和 S .John [ 4] 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.1990 年 ,Ho K .M . [ 5] 等人从理论上计算了一 种三维金刚石结构光子晶体的色散关系, 并由此预 测三维金 刚石结 构中 存在光 子禁 带.1991 年 , Yablonovitch [ 6] 在实验室中采用人工制造出了第一块 被认为具有完全禁带的三维光子晶体.目前, 光子晶 体的理论研究相对比较完善了 , 制备研究也取得了 长足的进展,从最初的毫米波段到微米、远红外 、红 外 ,甚至可见光波段 .通常 ,光子晶体可划分为一维 (1D)、二维(2D)和三维(3D)三种 .介电常量在一个 方向上呈周期性, 而在其他两个方向上不变时, 通常 被称为一维光子晶体 ;介电常量在两个方向上呈周 期性变化,而在另外一个方向不变时 ,被称为二维光 子晶体 ;三维光子晶体依此类推 ,如图 1 所示 .采用 二维光子晶体制作的光子晶体光纤具有高非线性、 低损耗 、完全单模性和独特的色散关系等特性, 为相 关领域的研究提供了一个优越的平台.用三维光子 晶体可以制作光子晶体波导 、光子晶体偏振器、光子 晶体全反射镜等.光子晶体的出现为理论研究和技 术应用开辟了一片崭新的天地, 它在光通讯、集成光 路 、微谐振腔 、高效率发光二极管等方面都具有潜在 的应用 [ 1 , 2] . 图 1 一维、二维、三维光子晶体立体结构示意图 1 理论基础 光波(电磁波)在具有周期性介电常量的介质中 传播时,由于布拉格散射受到调制而形成能带结构 , 这种能带结构叫做光子能带(Photonic Band).光子能 带可能出现带隙, 即光子带隙(Photonic Band Gap ,简 称 PBG),而落在带隙中的光是被禁止传播的 ,因此 能将光子局域在某一区间 .关于光子晶体产生禁带 第 25 卷第 4 期 大 学 物 理 Vol.25 No.4 2006 年 4 月 COLLEGE PHYSICS Apr.2006 DOI :10.16854/j .cnki .1000 -0712.2006.04.016
50 大学物理 第25卷 的特性可以利用经典电磁场理论和B山理论分 概率成正比的关系，显然在光子禁带内，光子态密度 析.为了计算方便在此需作以下两点假设：1)电磁 为零.也即此处原子自发辐射的概率等于零，而在缺 波在组成光子晶体的介质中传播时不衰减也就是 陷处自发辐射加强 说介电常量为实数：2)介质均各向异性.根据介质 中的Mawe方程可以得到： 正模式能带结枸 △×E=-别 △XH=eE (2) 08十 960 3 06王 其中△·H=0.式(3)是一个H的本征值方程与本 041 征算符△X士4X对应的本征值为 ,可以进 02- 一步证明算符△X上△×”是厄米共轭的. 0 由B小理论易知，在周期性变化的介质中，式 (3)的解所具有的形式为H(r,t)=e一(r). 图2二维六角光子品体色散关系(TE mode) 而波矢=：=空如果在一维情况下（如图 从上面的理论分析可以看出，光子品体中光波 1(a)).e(:)三e(:+a)(a为光子品体的周期.并日 的传导与超品格中的电子波的传导非常相似（见表 a=a1十a:,若只考虑沿z方向的传播，则可将式 1):电子波在超品格中电子波函数满足薛定污方程 (3)改写为标量形式， 电磁波在光子晶体中满足Maw方程：它们的格实 (4) 都是呈周期性变化的：将得到的Maxwell方程与薛定 式(4)的解也可以简化成标量的Boh形式：H(z)= 谔方程对比可以得到类似于哈密顿算符的Maxwell e*H(z,通过代换并化简，解方程可以得到如下关 算符日⊙-=△×方△×，并且同样具有线性.厄 系式： 米：通过理论分析发现，光子品体也同样出现能带结 mk(a1十a)mss 构，并可能在布里渊区界面出现带隙，因此某些频率 的光波被禁止传播 2制备方法 式(5)卿为光波色散关系.由式6)可以看出，光子晶 体的禁带出现在Brilbouin区边界上，且禁带宽度与 理论研究己经发现，光子品体在众多领域具有 潜在的应用价值.但实际应用时却存在许多障碍，关 有关，越大禁带越宽而光子禁带的位置与光 键在于目前少有能用于商业生产的制备方法因此 子晶体结构特征长度有关。 制备方法是光平品体发楼和用的关常技术之一 目前，用于光子品体计算的主要方法有，平面波 当然也就成为研究的热点.目前的制备方法根据 法，传输矩阵法，时域有限差分法N阶法等.图2是 性质大致可归为机械法和自组装法两大类， 通过平面波法计算得到的二维六角结构光子晶体中 2.1机械法 光波的色散关系.光子晶体结构存在缺陷时，对其色 机械法主要指利用微加工工艺及其相关技术对 散关系会有显著的影响.如存在点缺陷时，可能导致 材料进行机械加工，以获得相应的光子晶体结构.该 禁带中出现侠窄的导通.导通频率的光子就能多通 方法最早应用于光子晶体制备、也是最常用的方法 过.而禁带内其他频率的光子被禁止传播，因而可实 现光子局域，这一性质可用于制备高效率的微谐限 991年，Yablomovitch等人利用机械法制备了世 腔，另外根据l关于光子态密度与自发辐射is 界上第 为具有完全能带结构的光子品伟
的特性可以利用经典电磁场理论和 Bloch 理论分 析.为了计算方便,在此需作以下两点假设:1)电磁 波在组成光子晶体的介质中传播时不衰减, 也就是 说介电常量为实数;2)介质均各向异性 .根据介质 中的Maxwell 方程可以得到 : Δ ×E =- 1 c t H (1) Δ ×H =ε 1 c t E (2) Δ × 1 ε Δ ×H = ω c 2 H (3) 其中Δ·H =0 .式(3)是一个 H 的本征值方程, 与本 征算符“ Δ × 1 ε Δ ×”对应的本征值为 ω c 2 ,可以进 一步证明算符“Δ × 1 ε Δ ×”是厄米共轭的 . 由Bloch 理论易知, 在周期性变化的介质中 , 式 (3)的解所具有的形式为 H(r , t)=e i(k·r-ωt)Hk (r), 而波矢 k = ω c =2π λ .如果在一维情况下(如图 1(a)), ε(z)=ε(z +a)(a 为光子晶体的周期, 并且 a =a1 +a2), 若只考虑沿 z 方向的传播, 则可将式 (3)改写为标量形式: 1 ε d 2 dz 2 H(z)= ω c 2 H(z) (4) 式(4)的解也可以简化成标量的 Bloch 形式:H(z)= e ikz Hk(z),通过代换并化简, 解方程可以得到如下关 系式 : cos k(a1 +a2)=cos ε1 ωa1 c cos ε2 ωa2 c - 1 2 ε1 ε2 + ε2 ε1 sin ε1 ωa1 c sin ε2 ωa2 c (5) 式(5)即为光波色散关系.由式(5)可以看出 ,光子晶 体的禁带出现在 Brillouin 区边界上, 且禁带宽度与 ε1 ε2 有关 , ε1 ε2 越大, 禁带越宽, 而光子禁带的位置与光 子晶体结构特征长度有关 . 目前 ,用于光子晶体计算的主要方法有:平面波 法、传输矩阵法 、时域有限差分法 、N 阶法等.图 2 是 通过平面波法计算得到的二维六角结构光子晶体中 光波的色散关系 .光子晶体结构存在缺陷时, 对其色 散关系会有显著的影响.如存在点缺陷时,可能导致 禁带中出现狭窄的导通, 导通频率的光子就能够通 过,而禁带内其他频率的光子被禁止传播,因而可实 现光子局域 .这一性质可用于制备高效率的微谐振 腔.另外,根据 Purcell [ 7] 关于光子态密度与自发辐射 概率成正比的关系 ,显然在光子禁带内,光子态密度 为零,也即此处原子自发辐射的概率等于零,而在缺 陷处自发辐射加强 . 图 2 二维六角光子晶体色散关系(TE mode) 从上面的理论分析可以看出 , 光子晶体中光波 的传导与超晶格中的电子波的传导非常相似(见表 1):电子波在超晶格中电子波函数满足薛定谔方程, 电磁波在光子晶体中满足Maxwell 方程;它们的格矢 都是呈周期性变化的;将得到的Maxwell 方程与薛定 谔方程对比可以得到类似于哈密顿算符的 Maxwell 算符 Θ Θ=Δ × 1 ε(r)Δ × ,并且同样具有线性 、厄 米 ;通过理论分析发现 ,光子晶体也同样出现能带结 构 ,并可能在布里渊区界面出现带隙 ,因此某些频率 的光波被禁止传播 . 2 制备方法 理论研究已经发现 ,光子晶体在众多领域具有 潜在的应用价值, 但实际应用时却存在许多障碍 ,关 键在于目前少有能用于商业生产的制备方法.因此, 制备方法是光子晶体发展和应用的关键技术之一, 当然也就成为研究的热点.目前的制备方法,根据其 性质大致可归为机械法和自组装法两大类 . 2 .1 机械法 机械法主要指利用微加工工艺及其相关技术对 材料进行机械加工 ,以获得相应的光子晶体结构 .该 方法最早应用于光子晶体制备, 也是最常用的方法 之一. 1991 年,Yablonovitch [ 6] 等人利用机械法制备了世 界上第一个被认为具有完全能带结构的光子晶体. 50 大 学 物 理 第 25 卷
第4期 张蜡宝等：光半导体一光子品体 51 表】光子品体电滋波与（超）品格中电子波比较 描述对象 结构特征 不同介质交替排列势能周期性变化 不同介质交替排列，折射率呈周期性 福度或电品度). 表征函数 -习i-(周 薛定调方程 Mwel方程 描述方程 会9r=sn a×xH.(m-gH(D 周期性描述 枚年是，三+及) 格矢Rt(r)=t(r+R) 哈密頓算符瓜线性、厄米 wel算符,线性.尼米 作用算符 =+Wn 在传播带隙中 电子被禁止传播 一定频率的光子被禁止传插 Yablonovite山及其合作者首先在介质顶上加盖一层 等方法得到介质层，然后利用半导体电子束平版印 具有三角形排列的小孔然后在这些空的位置上打 刷或活性离子腐蚀技术得到二维的光子晶体结构 孔，最后从三个相互成120的方向上用活性离子束 这样继续在上面生长介质层和刻地.如此类推就日 穿孔而成（如图3(a).这种三维光子晶体具有钻石 以得到三维的光子晶体如图3山).麻省理工学院 结构和完全禁带，属微波段光子晶体.此后，一些研 的J.D.oanmopoulos光子品体研究小组进一步发 究人员利用类似的方法陆续制备出了带隙在毫米 展了这种逐层叠加法”，并得到ABCABC”结构的大 波、微波、红外波段的三维光子晶体 禁带三维光子晶体如图3（©）所示，其光子能带结 E.6山a等人在此基础上，提出用“逐层叠加” 构显示光子带隙宽度为21%. 的方法制备光子晶体.即在基板上利用MBE或CVD 在介质顶打孔得到 (仙“木竺”培积得到 )擦时角沉积法得到 0全息光刻得到 图3机械法制备的光子品体6回 21994-2016 China Academic lournal Electronic Publishing House.all rigbts reserved.http:/www.cnkinet
表 1 光子晶体电磁波与(超)晶格中电子波比较 超晶格中的电子波 光子晶体中的电磁波 描述对象 电子波 电磁波 结构特征 不同介质交替排列, 势能周期性变化 不同介质交替排列, 折射率呈周期性 表征函数 波函数: φ(r , t)= ∑E cEφ(r)exp iEt h 磁场强度(或电场强度): H(r, t)= ∑ω cωHω(r)exp(iωt) 描述方程 薛定谔方程: p 2 2m +V(r) φE(r)=EφE(r) Maxwell 方程: Δ × 1 ε(r) Δ ×H ω(r)= ω2 c 2 H ω(r) 周期性描述 格矢 R :V(r)=V(r +R) 格矢 R:ε(r)=ε(r+R) 作用算符 哈密顿算符 H :线性、厄米 H = p 2 2m +V(r) Maxwell 算符 Θ:线性、厄米 Θ=Δ × 1 ε(r) Δ × 在传播带隙中 电子被禁止传播 一定频率的光子被禁止传播 Yablonovitch 及其合作者首先在介质顶上加盖一层 具有三角形排列的小孔, 然后在这些空的位置上打 孔,最后从三个相互成 120°的方向上用活性离子束 穿孔而成(如图 3(a)).这种三维光子晶体具有钻石 结构和完全禁带 , 属微波段光子晶体.此后, 一些研 究人员利用类似的方法陆续制备出了带隙在毫米 波、微波、红外波段的三维光子晶体 . E .özbay [ 8] 等人在此基础上 ,提出用“ 逐层叠加” 的方法制备光子晶体 .即在基板上利用MBE 或 CVD 等方法得到介质层, 然后利用半导体电子束平版印 刷或活性离子腐蚀技术得到二维的光子晶体结构, 这样继续在上面生长介质层和刻蚀, 如此类推就可 以得到三维的光子晶体, 如图 3(b).麻省理工学院 的 J .D .Joannopoulos [ 9] 光子晶体研究小组进一步发 展了这种“逐层叠加法” ,并得到“ABCABC”结构的大 禁带三维光子晶体, 如图 3(c)所示 , 其光子能带结 构显示光子带隙宽度为 21 %. 图 3 机械法制备的光子晶体[6 ,8 ～ 12] 第 4 期 张蜡宝等:光半导体———光子晶体 51
52 大学物理 第25卷 另外“木桩”堆积法和全息光刻法也是较为常 质球沉降过程中的相互作用自行组装成光子晶体结 用的方法K.H可等人提出了类似堆“木桩”的光子 构.其制备的光子品体主要有两种类型：类“蛋白石” 晶体制作方法.这样制备出的三维光子品体具有面 结构和“反蛋白石”结构（见图4）.蛋白石是一种天 心立方结构，并且具有比较好的对称性.另外，S 然矿物英文名称为Oal,其化学式为Si02.nH20 山及其合作者发展了激光全息光刻技术和指 (含水率为3%12%)，即为非晶质二氧化硅的水 射角沉积法，如图3(e)和(f).运用这些技术，不 合物，研究者通过高倍的诱射电镜发现。蛋白石中球 仅能够制备出其有微周期的聚合物结构，而且用它 粒之间的间隙成四方或长方形，球粒直径约为20 们作为模板，还可以制造出具有高折射指数的完全 m,所以通常我们视蛋白石为球径单 一、排列整齐 带隙结构。 的.而“反蛋白石结构与“蛋白石”结构一样只 采用机械法可以根据需要制作特定结构的光子 不过介质分布在除小球以外的空间，小球为空气球 晶体.制备的光子晶体通常周期性，对称性都比较稳 白组装法制各“蛋白石”结构光子品体涌常可以 定，且制作周期短。但成本很高.由于大量采用了现 分为三个步骤：微球“溶解”，沉降和烘干，首先将通 成的半导体制造工艺技术（如外延生长，光刻等，而 过化学方法获得的单分散微球（如二氧化硅球，聚苯 光子带隙被长和结构的特征尺度相近，因而要制作 乙烯微球等)置入有机溶剂（如无水乙醇）中，同时可 带隙波长更短的光子晶体需要更精密的加工技术， 外加超声波，使“溶解”更快，更充分.此后，微球将有 这就给机械法制备提出了更高的要求，也带来了巨 重力的作用下沉降该过程对于不同的粒径有不同 大的闲难日前机械法主要用干制作享米，微米以及 的要求对于粒径较大的微球可采用直接沉降通 红外波段的光子晶体但制作更短波长的光子晶 常得到的光品体工作波段在微米段：对于粒径较小 时就显得十分困难了.由于机械法精密的加工无疑 的微球，可采用离心，加电场等方法强制沉降，个质 还是目前最好的光子晶体制备方法，因而随者制备 微球在沉降过程中自组装，得到有序排列的介质球 工艺的改进和人们对制作成本接受能力的提高，机 光子品体.待完全沉降后，除去溶剂并烘干，即可得 械法在制备光子品体方面仍然且有非常好的前号 到蛋白石”结构光子晶体4 22 自组装法 自组装法制备光子晶体通常是指利用溶液中介 H<D 图4自组装法制备光子品体4 对于“反蛋白石”结构光子晶体，一般是采用以 光子带隙因此是非常被看好的一种方法.自组装法 上方法制得的光子品体结构作为模板，向空隙中加 比较适合于制备尺度在300~550nm范围内的光子 入高折射率介质（如T0,等），然后通过煅烧或腐蚀 品体.如果采用一些捕助措施，则可以把这个节围计 除去原来的介质微球模板，这样就得到了“反蛋白 步扩犬4-测，与机械法相比，自组装法具有成本 石结构光子品体，模板的周期长度和介质的填充南 低，设备简单等优点.但该方法也具有一些不足，如 对光子品体的性能有显著的影响。另外，理论研究发 持续时间长，合成过程难于控制等.另外，通过自组 现。如果这种结构的有序性得到了满足，一般都存在 装法获得的光子晶体通常不具有所需的缺陷，而 21994-2016 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
另外, “木桩”堆积法和全息光刻法也是较为常 用的方法.K .Ho [ 10] 等人提出了类似堆“木桩”的光子 晶体制作方法.这样制备出的三维光子晶体具有面 心立方结构 , 并且具有比较好的对称性.另外, S . John 及其合作者发展了激光全息光刻技术 [ 11] 和掠 射角沉积法 [ 12] , 如图 3(e)和(f).运用这些技术 , 不 仅能够制备出具有微周期的聚合物结构, 而且用它 们作为模板 ,还可以制造出具有高折射指数的完全 带隙结构 . 采用机械法可以根据需要制作特定结构的光子 晶体 .制备的光子晶体通常周期性 、对称性都比较稳 定,且制作周期短, 但成本很高 .由于大量采用了现 成的半导体制造工艺技术(如外延生长 、光刻等), 而 光子带隙波长和结构的特征尺度相近, 因而要制作 带隙波长更短的光子晶体需要更精密的加工技术 , 这就给机械法制备提出了更高的要求, 也带来了巨 大的困难 .目前机械法主要用于制作毫米、微米以及 红外波段的光子晶体, 但制作更短波长的光子晶体 时就显得十分困难了.由于机械法精密的加工无疑 还是目前最好的光子晶体制备方法 ,因而随着制备 工艺的改进和人们对制作成本接受能力的提高 , 机 械法在制备光子晶体方面仍然具有非常好的前景 . 2 .2 自组装法 自组装法制备光子晶体通常是指利用溶液中介 质球沉降过程中的相互作用自行组装成光子晶体结 构 .其制备的光子晶体主要有两种类型:类“蛋白石” 结构和“反蛋白石”结构(见图 4).蛋白石是一种天 然矿物, 英文名称为 Opal , 其化学式为 SiO2 .nH2O (含水率为 3 %～ 12 %), 即为非晶质二氧化硅的水 合物.研究者通过高倍的透射电镜发现,蛋白石中球 粒之间的间隙成四方或长方形 , 球粒直径约为 200 nm ,所以通常我们视蛋白石为球径单一、排列整齐 的 [ 13] .而“反蛋白石”结构与“蛋白石” 结构一样, 只 不过介质分布在除小球以外的空间, 小球为空气球. 自组装法制备“蛋白石”结构光子晶体通常可以 分为三个步骤 :微球“溶解” , 沉降和烘干 .首先将通 过化学方法获得的单分散微球(如二氧化硅球、聚苯 乙烯微球等)置入有机溶剂(如无水乙醇)中,同时可 外加超声波 ,使“溶解”更快 、更充分.此后 ,微球将在 重力的作用下沉降, 该过程对于不同的粒径有不同 的要求 .对于粒径较大的微球, 可采用直接沉降, 通 常得到的光晶体工作波段在微米段;对于粒径较小 的微球 ,可采用离心 、加电场等方法强制沉降 .介质 微球在沉降过程中自组装 ,得到有序排列的介质球 光子晶体.待完全沉降后, 除去溶剂并烘干 ,即可得 到“蛋白石”结构光子晶体 [ 14] . 图 4 自组装法制备光子晶体[ 14 ～ 16] 对于“反蛋白石” 结构光子晶体 ,一般是采用以 上方法制得的光子晶体结构作为模板, 向空隙中加 入高折射率介质(如 TiO2 等), 然后通过煅烧或腐蚀 除去原来的介质微球模板 , 这样就得到了“反蛋白 石”结构光子晶体.模板的周期长度和介质的填充率 对光子晶体的性能有显著的影响.另外 ,理论研究发 现,如果这种结构的有序性得到了满足 ,一般都存在 光子带隙,因此是非常被看好的一种方法 .自组装法 比较适合于制备尺度在 300 ～ 550 nm 范围内的光子 晶体,如果采用一些辅助措施,则可以把这个范围进 一步扩大 [ 14 ～ 18] .与机械法相比 , 自组装法具有成本 低 、设备简单等优点 .但该方法也具有一些不足, 如 持续时间长 ,合成过程难于控制等 .另外 , 通过自组 装法获得的光子晶体通常不具有所需的缺陷 ,而引 52 大 学 物 理 第 25 卷
第4期 张蜡宝等：光半导体—光子品体 53 入缺陷是比较困难的 208 [8 Ozhay E.Mice E.Tuttle C.Micm machined millimeter 3前景展望 wave phoonic bandgap crystals[.Appl Pys Lett.1994 光子晶体的出现为理论研究和实际应用开辟了 64(16).2059-2061 一条崭新的道路，它引起了来自于物理学、化学、微 电子学，材料科学等领域的研究人员的广泛关注，研 apJ】. Appl Phys Let 2000.77.3490-3492. 究内容涉及光子品体的基本原理与特性、光学性质 T10 Ho K M.Chan C T.Soukoulis C M.et aL Photonie band 等对这些基础理论的研究是未来 段时间的热点 gaos in thee dimensions:new Lwver-b-laver perodic struc 在实际应用方面，由于制备方法还不够完善.因此发 ures I J.Solid State Comm.1994.89 413~416. 展低成木、高可常性、用于商业化的制备方法成为 ialmicnalhnctia 光子晶体能否走出实验室的关键 hotonic band g: 2001.92.113 参考文献： :band gap achit oulos JD Meade RD Winn JN olographie lithography.Phys Rev Lett.2004 ic crysta ures for M.Princetn N Pinceton Uni 92.3905h-4 19%3-5. [13 陈显求，姜玲章.欧泊的变彩机理及其应用开) Kazudki S Optical properties of phtonie crystals.Ber 时璃与胞咨.100422(2)，7=13 lin Springer Press 2001.125~128. 14 Yablonoith E.Inhibited sonnoou emisim insolidstate Ady Mae 198.9257 -260 119 Holland B T.kbester PK.Munson E J Transommation of 14 ric superlattices[.Phys Rev Lett.198758.24 ials[J.Materials Research Bulletin 1999 34:471- 482. -2489 5 Ho K M.Chan C T.Soukoulis C M.Existence of a photonic 16 gap in perialic dielectric strucus J].Frys Rev Lett. 199065:3152-3155. Yablonovith E Gmiter T J.Leung K M.Photonie band [17 ying n hen ures with three-dimensional periodicity at optical wave emp lenthsI Scenc 1998 282.897-901 Aurcell T.Weeks R A.Radiation Imhof A.Pine D J.Ordered macmoporous materias b induced param老nei [18 states of some intrinsic defects in Ge,glasses and crystals 197 389948-951. J].Fhysies and Chemistry of Glasses 1969 10.198- Photonic semiconductor material-Photonic crystal ZHANG La-bao,XIONG Yu-ying FEI Xiarrxiang KANG Feng Guangzhou 510631.China Key words photonie crystal;photonic band gaps:fabrication methods:self-assemble 1994-2016 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
入缺陷是比较困难的 . 3 前景展望 光子晶体的出现为理论研究和实际应用开辟了 一条崭新的道路 , 它引起了来自于物理学 、化学 、微 电子学、材料科学等领域的研究人员的广泛关注, 研 究内容涉及光子晶体的基本原理与特性、光学性质 等,对这些基础理论的研究是未来一段时间的热点 . 在实际应用方面 ,由于制备方法还不够完善, 因此发 展低成本 、高可靠性 、可用于商业化的制备方法成为 光子晶体能否走出实验室的关键. 参考文献 : [ 1] Joannopoulos J D, Meade R D, Winn J N.Photonic crystals : molding the flow of light [ M] .Princeton N J:Princeton University Press, 1995.3 ～ 5 . [ 2] Kazuaki S.Optical properties of photonic crystals[ M] .Berlin:Springer Press, 2001.125 ～ 128. [ 3] Yablonovitch E .Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics[ J] .Phys Rev Lett, 1987, 58:2 059 ～ 2 062 . [ 4] John S .Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[ J] .Phys Rev Lett , 1987, 58:2 486 ～ 2 489. [ 5] Ho K M , Chan C T, Soukoulis C M.Existence of a photonic gap in periodic dielectric structures [ J] .Phys Rev Lett , 1990, 65 :3 152～ 3 155 . [ 6] Yablonovitch E, Gmitter T J, Leung K M.Photonic band structure:the face-centered-cubic case employing nonspherical atoms[ J] .Phys Rev Lett, 1991, 67 :2 295～ 2 298 . [ 7] Purcell T, Weeks R A .Radiation-induced paramagnetic states of some intrinsic defects in GeO2 glasses and crystals [ J] .Physics and Chemistry of Glasses, 1969, 10:198 ～ 208 . [ 8] Ozbay E, Michel E , Tuttle G.Micro machined millimeterwave photonic band-gap crystals[ J] .Appl Phys Lett , 1994, 64(16):2 059～ 2 061 . [ 9] Johnson S G, Joannopoulos J D.Three-dimensionally periodic dielectric layered structure with omnidirectional photonic band gap [ J] .Appl Phys Lett, 2000 , 77:3 490～ 3 492 . [ 10] Ho K M, Chan C T, Soukoulis C M, et al.Photonic band gaps in three dimensions:new layer-by-layer periodic structures[ J] .Solid State Comm , 1994 , 89:413～ 416. [ 11] Toader O, John S .Proposed square spiral microfabrication architecture for large three-dimensional photonic band gap crystals [ J] .Science , 2001 , 292:1 133. [ 12] Toader O, Chan T Y, John S .Photonic band gap architectures for holographic lithography [ J] .Phys Rev Lett , 2004, 92:3905 1～ 4. [ 13] 陈显求, 姜玲章.欧泊的变彩机理及其应用开发[ J] . 玻璃与陶瓷, 1994, 22(2):7～ 13. [ 14] Mayoral R, Requena J .3D Long Range Ordering of Submicrometric SiO2 Sintered Superstructure [ J] .Adv Mater, 1998 , 9:257 ～ 260. [ 15] Holland B T, Isbester P K , Munson E J.Transformation of layered polyoxometallate cluster salts into mesoporous materials[ J] .Materials Research Bulletin, 1999, 34 :471 ～ 482. [ 16] Wijnhoven J E, Vos W L.Preparation of photonic crystals made of air spheres in titania [ J] .Science , 1998 , 281:802 ～ 804 . [ 17] Zakhidov A, Baughman R H, Iqbal Z, et al .Carbon structures with three-dimensional periodicity at optical wavelengths[ J] .Science , 1998, 282 :897～ 901 . [ 18] Imhof A , Pine D J .Ordered macroporous materials by emulsion templating [ J] .Nature , 1997, 389:948 ～ 951. Photonic semiconductor material —Photonic crystal ZHANG La-bao ,XIONG Yu-ying , FEI Xian-xiang , KANG Feng (Department of Physics and Telecommunication Engineering , South China Normal University , Guangzhou 510631 , China) Abstract :Photonic crystal is reviewed .The methods for fabricating photonic crystal are introduced especially . Key words:photonic crystal ;photonic band gaps ;fabrication methods ;self-assemble 第 4 期 张蜡宝等:光半导体———光子晶体 53