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1、光子晶体的一些制备方法精密机械加工法，半导体微纳米制造法，胶体晶体自组装法，反 蛋白石结构法，液晶全息法。制作三维光子晶体的方法最简单的是层层堆积法即把许多片状的 二维周期性结构叠加成三维光子晶体基本组成单元是一维介电柱。这 种方法是E.Ozbay等人提出来的。这种结构被称为“木柴垛结构”像 堆积木一样先堆好一层再按一定规则堆第二层依次堆下去最后得到一 定结构的三维光子晶体。其中每一层的一维介质柱都平行排列相互间 距为a;第二层介质柱与第一层介质柱夹角为90;单数层的排列是一样的双数层的排列是一样的但是第三层与第一层位移差了 a/2;第四层 和第二层也也位移了 a/2;第五层与第一层继续重复。
2、实验上第一次用 氧化铝做出了这种结构光子带隙在 12-14GHz 波段。这种三维光子晶 体是具有面心四面对称性的全方位光子带隙其相邻两层有60 到90 度 的角度变化。可以用离子束刻蚀、分子束外延以及气相沉积等手段来 实现。原则上这种层层堆积方法来制造三维光子晶体很可行但是这种 方法制作也有它的缺点工艺繁琐所以不适用大规模生产成本也很高。 当光子晶体结构的周期降到亚微米后会受到现有半导体工艺技术的限 制所以用这种制备法来制作光学波段的三维光子晶体挑战还是很大的。激光全息干涉法是利用了激光在光阻掩模板上刻蚀的方法。它是 利用多光栅光束同步激光在空间产生很好的周期性周期长度可以调节。 这种方法刻蚀
3、面积大能产生三维的空间周期结构。Berger等首次应用 三个光栅的激光在硅片上形成了二维的六角周期结构光子晶体。I.B.Divliansky 应用激光干涉法制备出三维光子晶体。 2001 年 Kondo 等人研制出制作光子晶体的一套适合多束激光脉冲干涉的光学装置 该装置可随意地改变干涉光束数而制做出一、二、三维光子晶体。总 之利用多束激光干涉法很容易制备大面积且具有一定厚度的三维光子 晶体这是其他方法不容易做到的。这样可以使周期性干涉图样和相干 激光的波长在数量级保持一致同时改变激光光束的传播方向、偏振和 数量使三维形状的尺寸和结构发生变化从而得到各不同的对称结构。 所以用激光全息干涉法制作出
4、的光子晶体涵盖的所有光波波长的范围 从而满足了人们生产研究的需要。由于光子晶体在各个方向上都具有 对称性用物理打孔的方法很难在纳米尺度下加工出复杂结构的三维光子 晶体。胶体自组装法可以控制纳米粒子的堆积方式从而实现红外波段 和周期可见光的三维周期结构制备的方法比较简单。蛋白石是一种具 有不完全带隙的光子晶体典型的方法是用二氧化硅排列为三维面心立 方结构并由可见光布拉格衍射产生出特有的颜色。天然的蛋白石是一 种宝石。二氧化硅胶体在重力场作用下在悬浮液中能自发排列成有序 的周期性结构通过干燥后成为合成蛋白石它由数百个纳米的二氧化硅 胶体颗粒有序排列在三维空间内而成的。现在主要有电泳法、诱导有序 化
5、法、场、自然沉降法、离心沉积法和强制有序化法等溶液中当颗粒 浓度和电荷密度合适的情况下表面带有电荷的胶体颗粒经过静电力的 相互作用小球自组织生长成周期性结构从而形成胶体晶体。在毛细容 器中利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。若所占体积分数较 低时倾向于体心立方 (BCC) 点阵堆积晶体的密排面和器壁表面相互平 行;若胶粒所占体积分数比较高时胶体的悬浮颗粒就以面心立方(FCC) 点阵堆积。反蛋白石结构法：反蛋白石是在蛋白石的空隙中填充高折射率的 材料然后通过去除蛋白石结构中的原材料所形成的结构，是以胶体自 组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的间隙填 充高介电常数的材料，然后
6、通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去， 得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方 的形式分布于高介电系数的介质中。这种结构只要填充材料的折射率 和周边的介质(如空气)的比值达到一定数值时，其周期对称结构将 出现完全光子带隙。原有的模板除去后得到规则排列的球形空气孔， 要求填充材料具有高折射率和所在波长的光学透明。如果基底为高介 电系数材料的空气孔面心立方结构，在第八个和第九个光子能带间将 会产生空隙。反蛋白石三步法：(1) 胶体微球自组装形成具有蛋白石模 板;模板法是指胶体微球借助于外界模板的引导作用而进行排列的制备 方法主要分为软模板法和硬模板法。软模板法是以乳状液的液滴作
7、为 模板将胶体微球组装的方法。乳状液滴模板法通常有两种组装方式 :一 种是将胶体颗粒吸附于液滴表面另一种是将胶体颗粒包裹于液滴内部。(2) 在模板间隙充填待合成物质的前驱体并使其固化;蛋白石模板间隙充 填待合成物质的前驱体是制备反蛋白石的关键为得到反蛋白石必须均匀地充填蛋 白石模板的空隙。据测算当充填率达 80%以上时才能得到最佳的带 隙。化学填充(液态前驱体通过在特定条件下发生化学反应形成固态物 质并填充到蛋白石模板空隙之中的方法溶胶-凝胶法、化学沉淀法、单 体聚合法、化学气相沉积法、原子逐层沉积法、电化学填充法 )和物理 填充(利用温度的变化将填充材料以物理的方式从液体中析出并填充到 蛋白
8、石空隙之中主要包括溶剂蒸发法、纳米晶法和熔融法 )。(3) 除去模 板得到反蛋白石结构溶解法和热解法。在填充蛋白石结构模板前一般 需以略高于微球玻璃化转变温度对模板进行烧结以增加球体颗粒之间 的相互作用并在球体表面形成隘口提高蛋白石力学稳定性。反蛋白石两 步法：(1) 胶体微球分散于前驱体溶液中自组装成复合蛋白石结构; (2) 除去微球模板得到反蛋白石结构。相对于三步法简化了充填步骤。半导体制造技术的方法：将电子束蚀刻反应离子束蚀刻化学气相淀积等技术运用于堆积式的光子晶体制造。(1)利用电子束激光束等在 Si 基上进行蚀刻留出一系列彼此平行的 Si 棒;(2)再用水解等方法将 Si 棒之间的区
9、域用 SiO2 进行填充并进行表 面机械抛光;(3) 然后再用多晶 Si 沉积的方法在(2)中所得的层上铺一层 Si 以便 蚀刻与(2)中Si棒向垂直的第二层Si棒(4) 重复以上步骤以制得所需的层数然后再用酸将 SiO2 清洗掉即 得三维周期性结构一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有真空镀膜技术、 溶胶-凝胶技术、MOCVD、分子束外延等；二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵列和打孔的薄膜 结构。排列方式一般为四边形和三角形点阵，通过调节棒或孔的直径 以及间距大小，可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激光刻蚀、 电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子晶体；三维光子晶体制备：精密机械加工法 :Yablonovich 等用打孔的方 法在基体表面每一点沿着相差 120 度的方向往里打孔在基底材料里留 下了近椭球圆柱形结构组成的面心立方光子晶体。缺点：只能用于加 工微波波段的光子晶体对于更短波长的光子晶体显得无能为力。
