光子晶体制备、性能介绍及其研究进展.docx

 PAGE \* MERGEFORMAT 1  PAGE \* MERGEFORMAT 61  PAGE \* MERGEFORMAT 1 光子晶体制备、性能介绍及其研究进展 1.1 引言 众所周知，普通的胶体粒子即胶粒一旦实现单分散合成，则许多基于这些胶粒所形成的结构及其相应的理论模型均可通过实验加以验证，诸如描述胶粒光散射的 Mie理论[1]，解释胶球气相及水相动力学行为的Stokes公式[2]和呈现胶球间相互作用力的Derjaguim- Landau-Vervey-Overbeek （DLVO）模型[3]等等。一个简单的例子是，胶球在某种程度上，可被看作为介观的“原子”或“离子”，这就成了考察相变如晶体生长中的成核、生长、熔化、玻璃态转变[4]等物理现象的 佳模型。当然，就本章内容而言， 重要的是要讨论由单分散胶粒所“结晶”而成的光子晶体（PCs） [5] 。晶体的实质就是有序结构，光子晶体同样呈现空间的周期性重复，具有类似真止原子晶体中电子的周期势场，而且，胶粒母体物质的不同折射率实质上决定了光子材料 本质的光学性质，同时，也可象真正原子晶体的晶面对电子产生衍射一样，在其介电性晶面上衍射光子[6]。当介电材料的衍射系数足够大时，就形成完整的光子能带结构，即一定波长范围的光在PCs中传播时被Bragg衍射所禁 阻[7，8]。凡此种种，充分显示光子晶体的基础也应归属于固体理论特别是其中的电磁理论，不过目前更加引人注目的是，它在材料合成上的难度及其潜在应用的价值。因此，光子晶休的研究越来越广泛，越来越深入。其中，光子晶体的表征采用了大量的新技术，汇集了各个不同领域的知识交义，内容越来越丰富。可以毫不夸张地说，光子晶体完全综合了物理、化学和工程等各个领域，从分子水平经过微观和介观范围到较大微米尺度范围，其研究势必带来新的过程、现象和性能，例如光子晶体的大孔特征，对催化、化学合成材料、模板合成技术等已展开了深层次的讨论，显然，在这种新环境中，就有可能实现在其它场合所不能实现的精密机械和具有新型光、电、磁性能材料的合成，当然前提首先在于以胶态体系作为构筑基本单元的三维光子晶体的设计和合成。本章，作者综述光子晶体及其应用的研究进展，重点为单分胶粒制备、光子晶体材料合成及其可能的潜在应用，同时也涉及一些必要的理论背景和组成－结构－性能关系。 1. 2 光子晶体的理论背景和光子能带结构 1.2.1 理论背景 光子能带结构（PBG）是一类在空间中存在周期性变化电磁场的材料。遵循 Bragg定律和Snell定律[9，10]，结构内部空间发生周期性变化的不同尺度（晶格间距，晶胞参数）表现在外在的光谱上对应着不同的波长范围。 λ ＝ 2dhkl / m（navg2-sin2θ）1/2 （1） 其中λ是禁带 小波长；m是Bragg衍射级数；navg是光子材料的平均折射率； θ是入射线和“晶面”的夹角。 反射光谱中一定的波长对应着材料结构中一定“晶胞参数”，如同人的指纹一样精确。微米周期性的PCs，其光谱适用范围是电磁波，也就是传统意义上的原子晶体。厘米尺度PCs适用于微波，而适应于Χ光的PCs仅为几个埃，所以，可以通过调整单组分的结构参数或调整多组分的成分比例来实现对材料的周期性的调整，以达到调制光学性能的目的。 与原子晶体类似，假设发生光衍射的周期性介质结构由一组平行晶面组成，光在不同的晶面会发生不同的散射，以2n倍相干叠加，再通过简单代数处理即引出 Bragg定律，Laue方程也是同样方法得到的，两者都规定了“晶格倒数”这物理量。它是波矢空间（倒空间）的晶格，倒易阵点则对应着正空间晶面的周期性平面波[11]。周期性体系的光散射特点是，在某一波长的某个方向上光不能入射到晶体内部而是发生了衍射。而且，每个方向上不止一个衍射级数，意味着对于给定的波矢，是存在着多个能带的。 光子晶体的相关理论讨论基本可以借助散射理论中Χ光散射原理。只是对于后者，因为Χ光子的能量远远大于材料的第一激发态（不会出现吸收），折射率（RI）基本上可从总体中忽略。但对于光子晶体，RI分布状态要被考虑到所建立的模型之内。 简单的周期性介电结构摸型是一维（1D）的。其周期量的Fourier展开直接加和而不是积分。介电波函数以该方式发生扩大。相关的其它周期性物理量也一样。加和包含了许多可分辨的不连续（尽管是无穷多）平面波，每个都对应于一个倒易矢量。代入到标量波动方程后，引出波矢对能量的函数。该方程对于特定的能量范围一一图1.1中黄色带条标示的区域一一不存在纯粹真实的解。波矢有非零虚部，意味着波发生衰减而且不传播。由Bragg定律可预测出现该现象的波矢值， K的非真值（复数） 能量区域被称