納米光子學(xué)(等離子激光學(xué))的材料應(yīng)用

納米光子學(xué)（等離子激光學(xué)）的材料應(yīng)用Contents納米光子學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述納米有序結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)表面等離子體激元光子晶體納米光子學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述納米技術(shù)光子學(xué)的發(fā)展納米光子學(xué)的誕生與發(fā)展納米技術(shù)納米(nanometer)是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為nm。1nm=10(-9)m=10埃。頭發(fā)直徑：50-100

m,1nm相當(dāng)于頭發(fā)的1/50000。氫原子的直徑為1埃，所以1納米等于10個(gè)氫原子一個(gè)一個(gè)排起來的長(zhǎng)度。納米技術(shù)

1.納米科學(xué)技術(shù)

20世紀(jì)80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬分之一米(10–7)到十億分之一米(10–9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子等進(jìn)行操縱和加工的技術(shù)。2.納米科技的主要研究?jī)?nèi)容創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料、制備各種納米器件和裝置、探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。

納米材料的分類按結(jié)構(gòu)(維度）分為4類：(1)0維材料—尺寸為納米級(jí)(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)富勒烯、膠體微粒、半導(dǎo)體量子點(diǎn)(2)1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)納米線(L/D>10)、納米棒(2<L/D<10)、納米管、納米絲納米材料的量子效應(yīng)及特性

1.表面效應(yīng)固體材料表面原子周圍缺少相鄰的原子，構(gòu)成很多懸掛鍵，導(dǎo)致表面能及表面結(jié)合能極高，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，因此具有很高的化學(xué)活性。

2.量子尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)就是由粒子尺寸減小引起電子能級(jí)形成量子化分布。納米材料的量子效應(yīng)及特性

3.小尺寸效應(yīng)

當(dāng)固體顆粒的尺寸減小到與光波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)等物理特征尺寸范圍或者比其更小時(shí)，即進(jìn)入納米尺度范圍，晶體的周期性邊界條件將遭到破壞，導(dǎo)致材料在熔點(diǎn)、磁性、電阻、化學(xué)活性以及光吸收等特性方面與同質(zhì)塊材有著巨大的差異，這就是小尺寸效應(yīng)。納米材料的量子效應(yīng)及特性

4.宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀物理量，如量子相干器件中的磁通量、微顆粒的磁化強(qiáng)度等也顯示出隧道效應(yīng)，它們可以貫穿宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生一系列變化，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。

5.庫侖堵塞效應(yīng)

在一個(gè)小體系當(dāng)中，電子只能以單個(gè)電子的形式一個(gè)一個(gè)的進(jìn)行輸運(yùn)，而不能集中起來一起輸運(yùn)。光子學(xué)的發(fā)展光子學(xué)內(nèi)容極為寬廣，其涉及多種學(xué)科和高技術(shù)領(lǐng)域；光子學(xué)技術(shù)的應(yīng)用遍及國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。

據(jù)專家預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)中，光子產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值將超過電子產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值。因此21世紀(jì)被譽(yù)為光子世紀(jì)。光子學(xué)的發(fā)展1960年激光的發(fā)明激光器(LASER)是電子學(xué)中微波量子放大器(MASER)在波長(zhǎng)上的延伸。激光器的發(fā)明不僅提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源，而且對(duì)時(shí)至今日的無線電頻率下的許多電子學(xué)的概念、理論和技術(shù)原則上均可延伸到光頻波段，如振蕩、放大、倍頻、混頻、參量、調(diào)制、信息處理、通信、雷達(dá)以至計(jì)算機(jī)等。光子學(xué)的發(fā)展光學(xué)和電子學(xué)兩個(gè)學(xué)科的相互交融，促成了光子學(xué)的建立，可以說光子學(xué)是發(fā)展到現(xiàn)階段的光學(xué)。由于激光的發(fā)明，低損耗光纖的研制成功和半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展，使光學(xué)迅速進(jìn)入近代高新技術(shù)舞臺(tái)，并對(duì)近代科學(xué)技術(shù)和人類社會(huì)生活產(chǎn)生巨大的影響。TheodoreHaroldMaiman

BornJul111927

光子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系光子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系是繼承與發(fā)展和相互依存的關(guān)系。在信息科技領(lǐng)域，20世紀(jì)電子學(xué)作出了巨大貢獻(xiàn)，但由于其本身固有特性帶來的局限而使其進(jìn)一步發(fā)展無論在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制。而光子的特性卻蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Σ⒈憩F(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，許多方面彌補(bǔ)了電子學(xué)的不足，為信息科技的發(fā)展提供了新的可能性。光子技術(shù)優(yōu)越性

器件響應(yīng)和系統(tǒng)處理速度快。光開關(guān)器件響應(yīng)時(shí)間最快達(dá)到10-15s即飛秒(fs)量級(jí)，幾乎到了其固有極限值。利用多重波長(zhǎng)和并行互聯(lián)處理，能克服馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)的瓶頸效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)。沒有阻抗匹配和沒有必要布線回路，故可進(jìn)行高速信號(hào)處理。納米光子學(xué)的誕生信息社會(huì)對(duì)集成電路的集成度的要求越來越高，這也促使人們不斷探索能夠突破器件尺寸極限的途徑。于是在這種形勢(shì)的威逼下納米光子學(xué)（Nanophotonics）便應(yīng)運(yùn)而生了。研究納米結(jié)構(gòu)中電子與光子的互作用及其器件的學(xué)科;是光子技術(shù)與納米電子技術(shù)相融合合而開拓出的一門嶄新的學(xué)科。納米光子學(xué)的誕生納米光子學(xué)的一個(gè)理想目的就是通過納米技術(shù)，將有可能從單個(gè)的分子開始構(gòu)建出功能完全等同于芯片的一種物質(zhì)，它既能夠儲(chǔ)存數(shù)據(jù)又能用作電子通道的開關(guān)。納米光子學(xué)將朝向納米光電子集成的方向發(fā)展。納米光子學(xué)的發(fā)展光子學(xué)+納米技術(shù)

納米光子學(xué)+納米光子技術(shù)納米光子工程納米光子產(chǎn)業(yè)納米光子器件納米光子器件是納米光子學(xué)的一個(gè)重要組成部分。目前在研究的納米光子器件有：納米激光器、量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器、多量子阱自電光效應(yīng)器件（MQW-SEED）、超晶格多量子阱紅外光電探測(cè)器陣列、納米級(jí)薄膜制作的紅外攝像器件、光子晶體波導(dǎo)器件等。納米有序結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)

電化學(xué)方法模板法納米壓印方法電化學(xué)方法

利用兩步氧化的方法制備多孔氧化鋁模板（PAA或AAO）Fig.1.(a)Schematicillustrationofthetwostepanodizationprocedure.(b)AFMimage(400nm×400nmscan)offabricatedAAOnanowells.電化學(xué)方法

圖2.用于制備多孔氧化鋁膜的兩種電解池示意圖：（a）縱向裝置（b）橫向裝置電化學(xué)方法

Figure3.AseriesofSEMimagesacquiredfromthesilver-coatedPAAmembranesformedunderdifferentconstantDCvoltages:a)20,b)30,c)40,d)50,ande)60V.Thescalebaris100nm.Thesputteringtimesforthesilverareallsettobe10min.f)AverageG3sizeasafunctionoftheappliedanodicvoltage.模板法

Figure4.Schematicillustrationoffabricationof(a)individualsphericalporouspolymersfromsolidsphericalnanoparticletemplates,(b)tubularporouspolymersfromtubularporoustemplates,suchasAAO,and(c)orderedmacroporouspolymersfromcolloidalcrystaltemplates.模板法

Figure5.Formationofa1Dnanostructureviaapeel-offprocess.AAOtemplateswerefabricatedbyusingtwo-stepanodization,followedbysurfacemodificationwithsilanemolecules.ThenanoporeswerefilledwithaPDMSprecursor,whichwaspeeledofffromthetemplateaftercuring.Thenanofibersarereleasedfromthetemplate(top)orareruptured(bottom).例一：模板法

Figure6.Cross-sectionalSEMimagesofsilane-modifiedAAOsurfacesafterthepeel-offprocess.(a)NH2-terminatedand(b)CH3-terminated(inset:top-viewimage).Thescalebaris1μm.Figure7.ThenanoreplicaswerepeeledofffromAAOnanotemplateswith(a)adiameterof250nmandaporelengthof1.2μmand(b)adiameterof250nmandaporelengthof1.7μm.Noruptureofnanofibersoccurred.Instead,thepeeledoffnanofiberscollapsedbecausethespacingbetweenthenanofiberswiththishighaspectratioistooclose.TheinsetimagesshowthecorrespondingAAOnanotemplates.Thescalebaris1μm.模板法

Fig.8.SchematicOutlineoftheExperimentalProcedureUsedtoFabricateFree-StandingAuNanotubeMembranea例二：模板法

Figure9.(a-c)SEMimagesofAunanotubemembranesfabricatedfromnanoporousAAOtemplateswithdifferentporediameters(182,222,and326nmfora,b,andc,respectively).Electrodepositionwascarriedoutatacurrentdensityof1.5mA/cm2for50sat17°C.(d-f)SEMimagesof2-DarraysofPtnanodotssputteredonSisubstratebyusingrespectivemembranesa-c.Thehighmagnificationviewsofeachmicrographarepresentedasinset.納米壓印方法

Fig.10.Schematicdiagramsofimprinttechnologies(a)conventionalnanoimprintlithography,(b)directimprintmetalfilms,(c)nanoimprintinmetal/polymerbi-layer(NIMB).三種基本方法：如圖所示。納米壓印方法

Figure11.Schematicprocedureforthepreparationofhierarchicalstructuresbywettinganodicaluminumoxidemembraneswithpolystyrenemicrospheres.納米壓印方法

PAA模板納米壓印方法

Fig.12.ColoronlineSchematicdiagramtofabricateAAOwithideallyorderedmatrixarraysofporesusingimprintstamps.納米壓印方法

FIG.13.FE-SEMimagesofSi3N4imprintstamp:apillarswithadiameterof45nmandcenter-to-centerdistancesof100nmandbpillarswithadiameterof80nmandcenter-to-centerdistanceof200nm.FIG.14.FE-SEMimagesofe-beampattern:adotarraywithadiameterof45nmandaperiodicdistanceof100nmandbdotarraywithadiameterof80nmandaperiodicdistanceof200nm.納米壓印方法

模板不一樣，納米壓印出來的結(jié)構(gòu)形貌也隨著改變納米壓印方法

Fig.15.(a)SchematicillustrationofthefabricationofacorrugatedAufilmusingthedirectnanoimprint-in-metalmethod.(b)SEMimageofacorrugatedAufilm.Inset:Cross-sectionalSEMimage.(c)3D-FDTDsimulatedimageofthecorrugatedAufilm.(dande)Photographsof(d)acorrugatedAufilmand(e)itshighlyflexiblestructure.Directlypatterningmetalfilmsbynanoimprintlithographywithlow-temperatureandlow-pressure納米壓印方法

Fig.16.SEMimagesofmolds(a)theconventionalbinarymoldwithflattop,(b)thesharpmold,(c)thetrianglemold.納米壓印方法

Fig.17.SEMimagesofthecross-sectionofthegoldfilmstackpatternedbyusingtheNIMBmethod.表面等離子體激元

SPPs的相關(guān)概念SPPs特性和激發(fā)SPPs的應(yīng)用SPPs的相關(guān)概念

表面等離子體激元(SPPs)是光和金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式，或者說是在局域金屬表面的一種自由電子和光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)。

SPPs的相關(guān)概念

在電子和光子的相互作用中，自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發(fā)生集體振蕩。它局限于金屬與介質(zhì)界面附近，沿表面?zhèn)鞑?，并能在特定納米結(jié)構(gòu)條件下形成光場(chǎng)增強(qiáng)，這種表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用就構(gòu)成了具有獨(dú)特性質(zhì)的SPPs。SPPs的特性

SPPs的特性主要有以下三個(gè)：表面局域特性近場(chǎng)增強(qiáng)短波長(zhǎng)SPPs的特性Companyname

SPPs的特性

計(jì)算可得??sp的實(shí)部和虛部分別為：進(jìn)而可以得到穿透深度??sp的表達(dá)式為：SPPs在垂直于金屬表面的方向電場(chǎng)強(qiáng)度是呈指數(shù)衰減的，這對(duì)應(yīng)于SPPs的表面局域特性。SPPs的特性

SPPs的近場(chǎng)增強(qiáng)

表面增強(qiáng)拉曼散射，提高拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度，且界面上為最大。SPPs近場(chǎng)增強(qiáng)的程度取決于金屬的介電常數(shù)、表面粗糙程度引起的輻射損耗以及金屬薄膜厚度等。SPPs的特性Companyname

SPPs的激發(fā)

空氣和銀界面上的SPP色散SPPs的激發(fā)

在低頻區(qū)域，SPP非常接近于光線，此時(shí)可以描述為一個(gè)極子(polarition),隨著頻率的增加，SPP遠(yuǎn)離光線，最賤趨近于一條水平虛線，該虛線代表SPP的共振頻率：這是SPP的頻率在其波矢k→∞時(shí)的極限，發(fā)生在金屬與電介質(zhì)的介電常數(shù)具有相同值，但是符號(hào)相反的情況下。在同一頻率下，SPP的波矢比真空中平面波的大，所以，用平面波照射在金屬表面是無法激發(fā)SPP的，目前主要用棱鏡耦合、光柵耦合和近場(chǎng)耦合。SPPs的應(yīng)用

SPPs的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：產(chǎn)生相干極紫外輻射生物和醫(yī)療新型光源和能源光子芯片和集成器件光存儲(chǔ)產(chǎn)生相干極紫外輻射

在一定的條件下，用fs激光照射金屬納米結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)引起自由電子的集體振蕩，在金屬表面附近的區(qū)域會(huì)形成表面等離子體激元波。在一定的頻率條件下，可發(fā)生等離子體激元共振，這時(shí)納米結(jié)構(gòu)附近的局域光場(chǎng)強(qiáng)度較入射fs激光的光場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有大幅的提高。產(chǎn)生相干極紫外輻射

納米尺度局域光場(chǎng)的提高幅度由等離子體激元共振特性決定，即取決于材料的性質(zhì)、幾何形狀及尺寸大小等因素。研究結(jié)果表明，納米尺度等離子體激元共振可使局域光場(chǎng)強(qiáng)度提高３～５個(gè)數(shù)量級(jí)。產(chǎn)生相干極紫外輻射

2008年6月，國外首次報(bào)道了S.Kim等人利用SPPs增強(qiáng)光場(chǎng)效應(yīng)，直接使用普通的fs激光振蕩器與Ar原子相互作用獲得了極紫外波段高次諧波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。借助于這種光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，以往只有利用飛秒放大器才能實(shí)現(xiàn)的某些場(chǎng)強(qiáng)物理現(xiàn)象的研究現(xiàn)在使用fs激光振蕩器就可以完成了。生物和醫(yī)療

優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)生物分子結(jié)合反應(yīng)的全過程，不需要對(duì)分子進(jìn)行標(biāo)記，而且耗樣最少。因此，SPR技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為一種成熟的檢測(cè)生物分子間相互作用的方法，并發(fā)展出SPR生物傳感器檢測(cè)方法。生物和醫(yī)療

表面等離子體激元共振還可以用于藥物／蛋白相互作用和DNA放大檢測(cè)，該技術(shù)以其快速、高靈敏度的特性被廣泛地應(yīng)用到生物分子機(jī)制的研究中，包括蛋白相互作用、抗原／抗體作用、配體／受體相互作用等等。生物和醫(yī)療

SPR對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感，當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變等引起折射率變化時(shí)，共振角將不同，在光譜上表現(xiàn)出紅移和藍(lán)移現(xiàn)象。因此，SPR譜（共振角對(duì)時(shí)間的變化）能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化，其對(duì)物質(zhì)的檢測(cè)精度甚至達(dá)到了納克（10-9ｇ）水平。生物和醫(yī)療光在納米尺度的特殊能力能應(yīng)用到小生物分子精密探測(cè)、高分辨率顯微鏡以及更加有效的癌癥治療方案。

利用等離子體激元的共振效應(yīng)來摧毀癌細(xì)胞新型光源和能源

SPPs所引發(fā)的電磁場(chǎng)不僅僅能夠限制光波在亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)中傳播，而且能夠產(chǎn)生和操控不同波段的電磁輻射。Koller等人介紹了一種源于SPPs的有機(jī)發(fā)光二極管的電開關(guān)表面等離子體源，這種電源可提供自由傳播的表面等離子體波，并對(duì)有機(jī)集成光子回路和光電傳感有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。新型光源和能源表面等離子體波在太陽能電池和LED等新型能源相關(guān)器件方面也有重要應(yīng)用。納米材料的光電性質(zhì)、機(jī)械性能均可通過改變顆粒的尺寸來實(shí)現(xiàn)。目前已實(shí)現(xiàn)在太陽能電池上利用表面等離子體效應(yīng)來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣也可以在LED上應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)提高其出光效率。新型光源和能源太陽能電池與金納米粒子薄膜結(jié)合，能比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地吸收太陽能。

金納米粒子散射入射光，然后將之捕獲入太陽能電池。光子芯片和集成器件傳統(tǒng)光學(xué)器件受到衍射極限的制約，其尺度的微小化和集成度受到限制，但是，SPPs的特征可以很好地突破衍射極限，為制造基于SPPs的集成光路應(yīng)用于高速光通訊提供了可能。光子芯片和集成器件

世界上最小的激光器它由染料—硅組成，并被直徑僅44nm的金小球所覆蓋，如右圖所示。光存儲(chǔ)Zijlstra等報(bào)道了采用Au納米棒的SPPs性質(zhì)實(shí)現(xiàn)五維光存儲(chǔ)。他們采用該方案在同一個(gè)物理地址利用３種顏色和２個(gè)偏振方向來刻寫數(shù)據(jù)，其光盤存儲(chǔ)容量能達(dá)到72TB。光子晶體光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)光子晶體的制備方法光子晶體的應(yīng)用光子晶體

半個(gè)世紀(jì)以來，電子器件的迅猛發(fā)展使其廣泛應(yīng)用于生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域，它尤其促進(jìn)了通訊和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于電子器件是基于電子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，在納米區(qū)域內(nèi)，量子和熱的波動(dòng)使它的運(yùn)作變得不可靠了。于是人們把目光投向了光子，提出了用光子作為信息載體代替電子的設(shè)想。光子晶體

由于光子是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子，以光子為載體的光子器件將有比電子器件高得多的運(yùn)行速度。光子受到的相互作用遠(yuǎn)小于電子，固而光子器件的能量損耗小、效率高，人們?cè)O(shè)想著也能象集成電路一樣制造出集成光路，光子在其中起著電子在半導(dǎo)體中的作用，全光通訊、光子計(jì)算機(jī)將構(gòu)成未來的光子產(chǎn)業(yè)。光子晶體類似于電子產(chǎn)業(yè)中的半導(dǎo)體材料，光子產(chǎn)業(yè)中也存在著一種基礎(chǔ)的材料——光子晶體(PhotonicCrystals)。光子晶體：具有光子能帶和能隙的一類新型材料，它具有奇特的調(diào)節(jié)光子傳播狀態(tài)的特性。

正象普通意義上的半導(dǎo)體晶體具有電子能帶和能隙一樣，光子晶體也具有光子能帶及能隙，當(dāng)光的頻率位于光子能隙范圍內(nèi)，它將不能在光子晶體中播。因此，光子晶體也常稱為光子帶隙材料(PhotonicBandGapMaterials)。光子晶體光子晶體奇特的調(diào)節(jié)光子傳播狀態(tài)的特性，使它有希望成為未來光子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料。目前世界范圍內(nèi)對(duì)光子晶體的研究主要在以下四個(gè)方面展開：理論上設(shè)計(jì)完全帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外波段光子晶體的制備探討光子晶體帶隙所產(chǎn)生的物理效應(yīng)及光與物質(zhì)相互作用開發(fā)光子晶體的實(shí)際應(yīng)用光子能帶與電子能帶半導(dǎo)體晶體：電子受原子周期排列所構(gòu)成的周期勢(shì)場(chǎng)的作用，它的能譜呈帶狀結(jié)構(gòu)。由于原子的布拉格散射，在布里淵區(qū)邊界上能量變得不續(xù)，出現(xiàn)帶隙，電子被全反射。光子晶體：也存在類似的周期性勢(shì)場(chǎng)，它是由介電函數(shù)在空間的周期性變化所提供的。當(dāng)介電函數(shù)的變化幅度較大且變化周期與光的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，介質(zhì)的布拉格散射也會(huì)產(chǎn)生帶隙，相應(yīng)于此帶隙區(qū)域的那些頻率的光將不能通過介質(zhì)，而是被全部反射出去。光子能帶與電子能帶由于周期結(jié)構(gòu)的相似性，普通晶體的許多概念被引入光子晶體，如能帶、能隙、能態(tài)密度、缺陷態(tài)等。相應(yīng)于半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶，在光子晶體中存在介電帶和空氣帶。完全光子能隙的產(chǎn)生光子能隙有完全能隙與不完全能隙的區(qū)分。完全能隙：光在整個(gè)空間的所有傳播方向上都有能隙，且每個(gè)方向上的能隙能相互重疊。不完全能隙：相應(yīng)于空間各個(gè)方向上的能隙并不完全重疊，或只在特定的方向上有能隙。由于能隙產(chǎn)生于布里滯區(qū)的邊界處，原則上完全能隙更容易出現(xiàn)在布里淵區(qū)是近球形的結(jié)構(gòu)中。完全光子能隙的產(chǎn)生對(duì)一些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的分析知道，F(xiàn)CC是具有最接近球形布里淵區(qū)的空間周期結(jié)構(gòu)(見圖18)。圖19表示FCC結(jié)構(gòu)中的光在兩個(gè)不同傳播方向上的能隙，L方向上能隙的中心頻率比X方向上能隙的中心頻率小14％。因此，必須在每個(gè)方向上的能隙足夠大，才能使它們相互重疊，產(chǎn)生完全光子能隙。圖18面心立方結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)圖19面心立方結(jié)構(gòu)中，光在兩個(gè)不同方向的能隙完全光子能隙的產(chǎn)生人們對(duì)光子能帶的理論計(jì)算最初是照搬電子能帶的計(jì)算方法，如平面波法(PW)和綴加平面波法(APW)等，將光子當(dāng)作標(biāo)量波，利用薛定諤方程求解。計(jì)算結(jié)果顯示，包括FCC在內(nèi)的許多結(jié)構(gòu)的光子晶體都將出現(xiàn)光子帶隙。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符。電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，為標(biāo)量波；而光子是自旋為1的波色子，是矢量的電磁波。矢量波理論的框架+麥克斯韋方程光子間無復(fù)雜的相互作用，計(jì)算結(jié)果非常精確完全光子能隙的產(chǎn)生能帶計(jì)算結(jié)果表明：球形顆粒構(gòu)成的FCC面心立方對(duì)稱性高，由于能級(jí)簡(jiǎn)并只存在不完全能隙。為得到具有完全能隙的光子晶體結(jié)構(gòu)：（1）提高周期性介電函數(shù)的變化幅度，即要有高的折射率反差（2）從結(jié)構(gòu)上消除對(duì)稱性引起的能帶簡(jiǎn)并光子晶體中的缺陷能級(jí)向光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷，如圖20所示，在光子能級(jí)中將產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷能級(jí)。圖20光子晶體中的缺陷能級(jí)圖可以通過調(diào)節(jié)缺陷的結(jié)構(gòu)、大小來控制缺陷能級(jí)在光子帶隙中的位置由介電帶頂?shù)娇諝鈳У?，相?yīng)于此能級(jí)頻率的光將只能夠存在于缺陷處，而不能向空間傳播。光子晶體的制備方法光子晶體是一種人造微結(jié)構(gòu)，自然界里不存在。它的晶格尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng)，是普通意義上晶體晶格尺寸的1000倍。目前制備光子晶體的方法主要有以下兩種：精密加工法微波渡段的光子晶體由于其晶格常數(shù)在厘米至毫米量級(jí)，制作起來比較容易，用機(jī)械方法就可以實(shí)現(xiàn)。膠體法利用單分散的膠體顆粒懸浮液的自組織特性，可以生長(zhǎng)可見光、近紅外波段的三維光子晶體。精密加工法

二維結(jié)構(gòu)用直徑為毫米量級(jí)的氧化鋁圓柱棍相互平行地排成列陣，當(dāng)微渡在垂直于圓柱軸線的平面上傳播，將會(huì)出現(xiàn)光子帶隙。采用在基體上機(jī)械打i孔制成相互平行的空氣圓柱列陣的方法，也能制造二維光子晶體。精密加工法

三維結(jié)構(gòu)利用激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕等先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，可以較容易地制造二維光子晶體，到亞毫米和遠(yuǎn)紅外波段，甚至到紅外和可見光波段。

然而，受目前刻蝕技術(shù)及工藝的局限，制造紅外和可見光波段的三維光子晶體，仍存在著很大的困難。為此，發(fā)明了逐層刻蝕、外延生長(zhǎng)法。利用這種方法，制造出的三維光子晶體已達(dá)到遠(yuǎn)紅外波段。膠體法

膠體晶體人們發(fā)現(xiàn)，單分散的聚苯乙烯乳膠球在水中能自發(fā)排列成面心立方、體心立方等有序結(jié)構(gòu)，人們把這種膠體體系稱為膠體晶體。由于膠體晶體的晶格尺寸在亞微米量級(jí)，它有望成為制備近紅外及可見光渡段三維光子晶體的一條有效的途徑。