氧化锌基压电拓扑声子晶体研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

近年来，引入拓扑相关概念的声子晶体受到了广泛的关注与研究。拓扑声子晶体边

界上的波传输受到拓扑特性保护，具有低损耗特性和对反射散射、缺陷、无序等干扰

的强鲁棒性。实现声子晶体的微型化与丰富的传输特性对基于声子晶体的声学器件向

智能化、电声集成化发展有重要意义。但目前很多拓扑声子晶体的研究只在大体积结

构中实现简单的边界态传输，这限制了拓扑声子晶体在声学器件上的应用。针对此问

题，本研究基于氧化锌压电单晶，以谷霍尔效应为理论基础设计了拓扑结构，并通过

激光飞秒刻蚀方法研制了片上氧化锌基压电拓扑声子晶体，设计了声/电拓扑逻辑门，

实现了鲁棒性的拓扑弹性波传输以及波传输的调控与电学监测，为电声集成器件的设

计与研制提供了新思路，主要内容如下：

首先，基于氧化锌单晶设计了拓扑声子晶体。通过改变三棱柱的旋转角度，打破结

构镜像对称性，实现了单胞结构的能带反转与谷拓扑相变。并通过计算不同拓扑相声

子晶体边界的投影能带得到了边界态，研究了多种不同边界路径上的弹性波传输特性

及其鲁棒性。同时利用氧化锌单晶的压电效应，理论分析了与拓扑弹性波传输相关的

电学特性，为实现压电拓扑声子晶体中弹性波传输的调控与电学监测奠定了理论基础。

其次，利用飞秒激光刻蚀方法，实现了片上氧化锌基拓扑声子晶体的研制。基于飞

秒激光刻蚀原理，研究了激光能量对氧化锌单晶刻蚀深度和刻蚀底面平整度的影响，

并通过优化飞秒激光刻蚀模型与加工参数，达到了最佳的刻蚀效果，研制出了基于氧

化锌单晶的片上拓扑声子晶体。

最后，采用激光多普勒测振技术，探究了氧化锌基拓扑声子晶体的弹性波传输特性。

研究了声子晶体中体态、交叉路径、垂直交叉路径的弹性波传输，并通过调控弹性波

传输实现了声学逻辑门。此外，研究了与拓扑弹性波传输相关的电学响应特性，并实

现了声学逻辑门电学输出，达到了拓扑声子晶体中弹性波传输调控与电学监测的效果。

关键词：声子晶体；声学谷拓扑；压电拓扑；氧化锌单晶

I

华中科技大学硕士学位论文

Abstract

Inrecentyears,phononiccrystalsthatintroducetopologicalconceptshavereceived

widespreadattentionandresearch.Thewavepropagationontheboundaryoftopological

phononiccrystalsisprotectedbytopologicalcharacteristics,withlowlosscharacteristics

andstrongrobustnesstointerferencesuchasscattering,defects,anddisorder.Realizingthe

miniaturizationandrichtransmissioncharacteristicsofphononiccrystalsisofgreat

significanceforthedevelopmentofacousticdevicesbasedonphononiccrystalstowards

intelligenceandelectroacousticintegration.Butcurrently,manyresearchesontopological

phononiccrystalsonlyachievesimpleedgesstatetransmissioninlargevolumestructures,

whichlimitstheapplicationoftopologicalphononiccrystalsinacousticdevices.Inresponse

tothis