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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,第八章,微納光電材料及器件,第八章 微納光電材料及器件,8.1,納米光電材料及器件,?,納米材料是一種粒子尺寸在,0.1,到,100nm,的材料。納米光,電材料是指能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能或化學能等其它能量的,一種納米材料。其中最重要的一點就是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。其,原理如下：,?,8.1 納米光電材料及器件?納米材料是一種粒子尺寸在0.1,納米材料大致可分為納米粉末、一維納米材料、納米膜等。,納米粉：又稱為超微粉或超細粉
2、，一般指粒度在,100,納米,以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之,間處于中問物態(tài)的固體顆粒材料。,一維納米材料：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。,分為納米線和納米管。,納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒,粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層,致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜,納米材料大致可分為納米粉末、一維納米材料、納米膜等。納米,納米光電材料的性能,:,小尺寸效應,表面效應,量子尺寸效應,納米光電材料的性能:小尺寸效應 表面效應 量子尺寸效應,納米光電器件,?,量子點光電器件,量子點太陽能電池,量子點發(fā)光二極管,量子點激光器,?,納米線光電器件
3、,納米光電器件?量子點光電器件 量子點太陽能電池 量子點發(fā)光,光子晶體指介電常數(shù),(,或折射率,),周期性變化的一類物質(zhì)，英,文,Photonic Crystal,，簡稱,PC,。,1.,1987,年，,E.Yablonovitch,和,S.John,在研究抑制自發(fā)輻射和光,子局域時分別提出光子晶體這一新概念。,2.,1991,年，,Yablonovitch,在實驗室中人工制造了第一塊被認為,具有完全禁帶的三維光子晶體。,8.2,光子晶體及光子晶體器件,光子晶體指介電常數(shù)(或折射率)周期性變化的一類物質(zhì)，英文P,?,光子晶體（,photonic crystal,）,是一種介電常數(shù)隨空間周期性變
4、化的新型光,學微結(jié)構材料，其最根本的特征是具有光子禁帶。,?光子晶體（photonic crystal）,光子晶體圖示,光子晶體圖示,光子晶體概念的產(chǎn)生：,眾所周知，很多的研究,都是起源于對自然界不同領,域存在類似現(xiàn)象的假設開始,的。因為宇宙萬物遵循著相,同的規(guī)律，即使外表再怎樣,的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則,卻是有著高度一致性。,科學家們在假設,光子也可以具有類,似于電子在普通晶,體中傳播的規(guī)律的,基礎上發(fā)展出來的,光子晶體概念的產(chǎn)生：眾,晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，這,種周期勢場的存在，使運動的電子受到周期,勢場的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構，帶,與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果,
5、落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。,相似的，在光子晶體中是由光,的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生,了光帶隙結(jié)構，從而由光帶隙結(jié),構控制著光在光子晶體中的運動。,晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，這種周期勢場的存在,光子晶體概念的產(chǎn)生：,到,1987,年，,E.Yablonovitch,及,S.Joh,n,不約,而同地指出：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介,電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段,的電磁波強度會因破,壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無,法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當于在頻譜上形成能隙，于,是色散關系也具有帶狀結(jié)構，此即所謂的,光子能,帶結(jié)構,(photonic band structures),。具有光子能
6、,帶結(jié)構的介電物質(zhì)，就稱為,光能隙系統(tǒng),(photonic,band-gap system,，,簡稱,PBG,系統(tǒng),),，或簡稱,光子,晶體,(photonic crystals),。,光子晶體概念的產(chǎn)生：到1,自然界中的光子晶體：,光子晶體雖然是個新名詞，但自然界,中早已存在擁有這種性質(zhì)的物質(zhì)。,自然界中的光子晶體,自然界中的光子晶體：光子晶體雖然是個新名詞，,盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石,(opal),。蛋白石是由二氧化硅納米球,(nano-sphere),沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素無關，,而,是因為它幾何結(jié)構上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構，隨著能隙位置,不同，反射光的顏色也跟著變化
7、；換言之，是光能隙在玩變色把戲。,盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅,在生物界中，也不乏光子晶體的蹤,影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅,膀上的斑斕色彩，其實是鱗粉上排,列整齊的次微米結(jié)構，選擇性反射,日光的結(jié)果,.,翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構的蝴蝶,在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅,2003,年,ANDREW R.PARKER,等,發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部,森林的甲蟲（,Pachyrhynchus,argus,），它的外殼分布有和蛋,白石一樣的光子晶體結(jié)構類似,物，其具有從任何方向都可見,的金屬色澤。,這種棲息于大陸棚上有著刺,毛的低等海生無脊椎動
8、物,海毛蟲,(sea mouse),具有引人矚目的虹彩。,此種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之,六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀,構造物,其具有與光子晶體光纖,(photonic crystal fiber)-,一樣的物,理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且,僅反射某些波長的色光而發(fā)出鮮,明色彩,2003年ANDREW R.PARKER等發(fā)現(xiàn)一種澳,固體物理中的許多其,它概念也可以用在光子晶,體中，不過需要指出的是,光子晶體與常規(guī)的晶體雖,然有相同的地方，也有,本,質(zhì)的不同,，如右圖,光子,電子,服從方程,麥克斯韋,（,Maxwell,）方程,薛定諤方程,對應波,矢量波,標量波,自旋,自旋為,1,的玻色子,
9、自旋為,1/2,的,費米子,相互作用,沒有,很強,固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶,第一個功敗垂成的三維光子晶體,遺憾的是，理論學家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性,(symmetry),之,故，,在,W,和,U,兩個方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻率范圍內(nèi),的能態(tài)數(shù)目相對較少，因此只具有,虛能隙,(pseudo gap),1989,年，,Yablonovitch,及,Gmitter,首次,嘗試在實驗上證明三維光子能帶結(jié)構的存,在。實驗中采用的周期性介電系統(tǒng)是,Al2O3,塊材中，按照面心立方,(face-centered,cubic,fcc),的排列方式鉆了將近八千個球狀,空洞，如此形
10、成一個人造的巨觀晶體。,三,氧化二鋁和空氣的介電常數(shù)分別為,12.5,和,1.0,，面心立方體的晶格常數(shù)是,1.27,。,根據(jù),實驗量得的透射頻譜，所對應的三維,能帶結(jié)構右圖所,示：,最初光子晶體的人工制備：,第一個功敗垂成的三維光子晶體 遺憾的是，理論,兩年之后，,Yablonovitch,等人,卷土重來，,這回他們調(diào)整制作方式，,在塊材上沿三個夾,120,度角的軸鉆洞，,如此得到的,fcc,晶格含有非球形的,“原子”,(,如右圖,),，,終于打破了對,稱的束縛，在微波波段獲得真正的,絕對能隙，證實該系統(tǒng)為一個光子,絕緣體,(photonic insulator),。,第一個具有絕對能,隙的
11、光子晶體，及,其經(jīng)過特別設計的,制作方式,兩年之后，Yablonovitch等人卷土重來，這,基本特性,光子晶體通常具有,:,光子禁帶結(jié)構、異常色散和抑制原子的,自發(fā)輻射,的特點,基本特性 光子晶體通常具有:光子禁帶結(jié)構、異常色散和抑制原子,左手材料,左手材料,光子晶體器件,光子晶體的這些特性可用于光纖通訊、微波器件、光路集成、光開關、濾波器件等,方面。目前，市場上已經(jīng)有基于光子晶體的光纖和波分復用器件產(chǎn)品。,光子晶體光纖,光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構光纖，近年來引起廣泛關注，它的橫截面上有較,復雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大,致在同一量級且貫穿器件的整個
12、長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。,特點：,1.,實現(xiàn)大功率單模激光傳輸；,.,2.,寬波段的單模性質(zhì),3.,具有良好的色散性質(zhì),4.,高的雙折射特性,5.,可以實現(xiàn)多芯傳輸,光子晶體器件 光子晶體的這些特性可用于光纖通訊、微波器件、光,大模場,晶體光纖,多模,晶體光纖,多模大數(shù)值,孔徑,晶體光纖,高非線性,晶體光纖,保偏非線性,晶體光纖,大模場 晶體光纖 多模 晶體光纖 多模大數(shù)值,不同波長的光穿過光纖纖芯的,速度也不同?？紤]長距傳輸時，在,信號中就將出現(xiàn)時間延遲，所以信,號就需要在不同的波長編碼。光纖,纖芯越粗延遲越厲害，通過這樣的,纖維的一個光脈沖變寬，必將限制,能精確接收的數(shù)據(jù)率,。
13、,傳統(tǒng)光纖的缺點,解決的方法還有一種就是采用,單模光纖，即盡量減少光纖纖芯的,直徑，從而可以只允許一個模式的,光路通過，從而避免上述問題。但,同時成本將大大提高。,光子晶體光纖,光子晶體帶隙保證了能量基本無損,失，而且不會出現(xiàn)延遲等現(xiàn)象。英國,Bath,大學的研究人員用二維光子晶體成,功制成新型光纖：由幾百個傳統(tǒng)的氧化,硅棒和氧化硅毛細管依次綁在一起組成,六角陣列，然后燒結(jié)從而形成蜂窩結(jié)構,亞微米空氣孔。引入額外空氣孔做為導,光通道，可導波的范圍很大，從而增加,數(shù)據(jù)傳輸量。,如圖是目前英國斯溫,頓,Bath,大學的實驗性,光子晶體光纖實物圖,和傳輸效果圖。,不同波長的光穿過光纖纖芯的速度也不同
14、?？紤]長距,(a),普通光纖,(b)-(c),光子晶體光纖,?,利用包層對一定波長,的光形成光子能隙，,光波只能在芯層形成,的缺陷中存在和傳播。,?,能量傳輸基本無損失，,也不會出現(xiàn)延遲等影,響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。,?,光子晶體制成的光纖,具有極寬的傳輸頻帶，,可全波段傳輸,。,(a)普通光纖,(b)-(c)光子晶體光纖?利用包層對一,一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過周圍介質(zhì)的,無數(shù)次的反射,，大部分光不能有效地耦合出去，,二極管的,光輻射效率很低,。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心置入一塊特,制的光子晶體中，并使得該發(fā)光中心,的自發(fā)輻射頻率與該光,子晶體,的光子禁帶重合,，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會
15、進入包,圍它的光子晶體中，而只能沿著特定設計的方向輻射并傳導,出去。實驗表明，采用光子晶體后,，發(fā)光二極管的效率會從,目前的,1 0,左右提高到,9 0,以上,。,光子晶體發(fā)光二極管,一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過周圍,左邊是傳統(tǒng)的,LED,結(jié)構，可以看到它的全反射，現(xiàn)有的,LED,臨界,度是比較小的，相對的，光子晶體藍色,LED,所設計出來的,LED,，,由于衍射的關系，可以修正光的角度，修正后的光可以可進入臨,界角投射到外面，改善過去,LED,的光會全部反射的問題。,左邊是傳統(tǒng)的 LED結(jié)構，可以看到它的全反射，現(xiàn)有的 LED,在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特,
16、設計，使得大面積的發(fā)光能夠具體實現(xiàn)。光子晶體,LED,的效率,比一般的,LED,高出,50,。,(a)top xiew of PhC blue LED,(b)Cross-section view of 2-D PhC,日本松下電器第一個將光子晶體運用導入藍色,LED,在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特設計，,傳統(tǒng)激光器的缺點,發(fā)射波長的,變化會改變,傳輸損耗,耦合效率不高,輻射角比,較大,隨功率的增,加線寬趨于飽,和，,并重新展,寬,激光發(fā)射器,傳統(tǒng)激光器的缺點 發(fā)射波長的變化會改變傳輸損耗 耦合效率不高,但如果在一塊三維光子晶體的光,子禁帶中引入缺陷，然后在其中放,置工作物質(zhì)，缺陷態(tài)將構成一個波,導，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较颍?同樣自發(fā)輻射也只能沿此方向，即,自發(fā)輻射與激光出射方向角幾乎為,零。這樣幾乎所有的自發(fā)輻射都用,來激發(fā)已實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì),而無其他損失。泵浦的能量幾乎全,部用來產(chǎn)生激光，,這使激光器閾值,降低，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。,這種激光器,體積小,、,閾值低,，,功,率高,、,易于光纖耦合,，,且,可在小,區(qū)域密集分布,的。,出現(xiàn)在能隙中的缺
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