聚合物光子晶體的制備及其光學(xué)特性研究.pdf

1、在信息的傳輸方面，光子比電子有著更多的優(yōu)點。它們有更快的傳播速度，在攜帶大容量信息時有更低的損耗。光子晶體具有著像半導(dǎo)體操縱電子一樣的操縱光線的能力，也被稱作光子禁帶材料(PBG)或PhCs，是一種新型的人造物質(zhì)，能夠控制光子行為的人工周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)功能材料。光子晶體內(nèi)部具有周期性結(jié)構(gòu)，其組分介電常數(shù)呈周期性變化，具有電磁波禁帶，使其能夠操控電磁波。禁帶內(nèi)的電磁波只能沿光子晶體缺陷傳播，通過缺陷的設(shè)計可以人為調(diào)控電磁波的傳輸。光子晶體

2、的結(jié)構(gòu)材料，是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙，而周期排列的低折射率位點的之間的距離大小不同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)，即只有某種頻率的光才會在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。如果只在一個方向上存在周期性結(jié)構(gòu)，那么光子帶隙只能出現(xiàn)在這個方向。如果在三個方向上都存在周期結(jié)構(gòu)，可以出現(xiàn)全方位的光子帶隙，特定頻率的光進

3、入光子晶體后將在各個方向都禁止傳播。 由于光子晶體不僅能夠為光學(xué)器件的集成以及小型化提供了前所未有的機遇，而且光子晶體也展現(xiàn)出許多新的物理現(xiàn)象，所以自從被Yablonovitch和John發(fā)明以來，光子晶體引起了人們極大的研究熱情。由于對于不同波長有著不同介電常數(shù)，光子晶體具有特殊的光學(xué)特性，能夠?qū)怆娮悠骷男⌒突峁└锩缘慕鉀Q方案。本論文的研究工作，從理論和實驗兩方面針對二維光子晶體和三維光子晶體的特點及其特殊的光學(xué)特性，

4、特別對聚合物光子晶體及其特有的超棱鏡效應(yīng)和結(jié)構(gòu)進行了深入細致的研究和分析，從理論上證明了這些結(jié)構(gòu)的傳輸特性；系統(tǒng)地研究了光子晶體的制備方法，并利用軟光刻印刷技術(shù)、激光全息技術(shù)成功制備了二維三角結(jié)構(gòu)聚合物光子晶體和三維面心立方結(jié)構(gòu)聚合物光子晶體，并對獲得的光子晶體的光學(xué)特性進行了深入研究。主要的研究工作和創(chuàng)新點闡述如下：Ⅰ低折射率二維三角晶格聚合物光子晶體超棱鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算模擬我們設(shè)計并計算了二維聚合物光子晶體超棱鏡結(jié)構(gòu)，它由一系列空

5、氣柱在聚合物厚片上按三角形排列構(gòu)成，背景聚合物在1550nm波長的折射率為1.475。為使聚合物光子晶體超棱鏡的設(shè)計最優(yōu)化，計算并分析了平面波傳播的能帶結(jié)構(gòu)和色散曲面。(第二章)Ⅱ三維面心四方(FCT)木料堆結(jié)構(gòu)光子晶體超棱鏡的設(shè)計、模擬和論證利用與研究二維光子晶體超棱鏡相同的方法，我們根據(jù)三維光子晶體完全能帶結(jié)構(gòu)，針對入射到y(tǒng)-z平面的光波，計算了其色散曲面，并由曲面的梯度得到了光波的傳輸/透射角度。由于由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時k

6、矢量的平行分量守恒，光子晶體中的光波將被限制在y-z平面，這樣我們就把三維色散曲面簡化為二維色散曲面。 進一步利用了平面波展開法，使用BANDSOLVE軟件包計算了能帶結(jié)構(gòu)。計算模擬了聚合物/SiO2介質(zhì)中，晶格為FCT結(jié)構(gòu)的木料堆光子能帶結(jié)構(gòu)，其中w/d=0.266，h/d=0.305，Δn=0.17，由于低折射率，在聚合物木料堆結(jié)構(gòu)中不存在完全禁帶。 進一步由完全光子能帶結(jié)構(gòu)，給出了從任一點到布里淵區(qū)表面所有點可引起

7、的光子能帶結(jié)構(gòu)變化的信息。對于給定的能量或頻率，波矢的所有可能位置的數(shù)值都可以由此推出，并利用全區(qū)域分析得到了三維完全能帶結(jié)構(gòu)。 我們設(shè)計、計算模擬和論證了低折射率聚合物二維三角晶格結(jié)構(gòu)和三維面心四方(FCT)木料堆結(jié)構(gòu)中強的超棱鏡效應(yīng)，并從理論上進一步證明了這些光子晶體超棱鏡結(jié)構(gòu)的傳輸/透射特性。光子晶體結(jié)構(gòu)中的傳輸/透射角對入射光波長和入射角非常敏感，所研究的二維和三維光子晶體的制備就是基于這些設(shè)計和計算模擬。(第二章)Ⅲ軟

8、光刻印刷技術(shù)制備二維聚合物光子晶體及超棱鏡效應(yīng)的證實作為一種制備方法，壓印光刻技術(shù)有著低消耗、高產(chǎn)量以及高分辨率等優(yōu)點，做為下一代的光刻技術(shù)，在微米和納米結(jié)構(gòu)方面的諸多應(yīng)用已得到了證明。壓印光刻技術(shù)的一個重要應(yīng)用是軟光刻印刷技術(shù)，用此技術(shù)可以制備能夠控制激光光束傳播的二維光子晶體。由于聚合物材料的低介電常數(shù)，聚合物光子晶體通常不會表現(xiàn)出完全的光子禁帶，而某些具有超棱鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件恰恰不需要光子晶體具有禁帶。理論計算表明，聚合物光子晶體

9、中的強超棱鏡效應(yīng)是由于各向異性散射面的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。利用軟光刻印刷技術(shù)成功制備了二維聚合物光子晶體超棱鏡結(jié)構(gòu)，它提供了一種方便、有效的和低成本的微米、納米尺寸微結(jié)構(gòu)的制備方法。本文重點介紹了該制備方法的幾個關(guān)鍵技術(shù)：基底的制作；彈性印模PDMS (Polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷)模板的形成；圖案的轉(zhuǎn)移等，詳細闡述了PDMS模板的制備方法和原理，并應(yīng)用這種PDMS模板，結(jié)合傳統(tǒng)的光刻印刷技術(shù)，在基底上澆鑄聚合物獲得

10、了微毛細管組成的二維三角晶格聚合物光子晶體。 制備獲得的二維光子晶體精細結(jié)構(gòu)，其空氣柱的直徑為300nm，通過SEM和AFM圖像分析可知，縱橫比可達1.25，基底與鑄模圖案的深度只有3％的差異。同時也制備得到了空氣柱直徑為450nm，晶格常數(shù)為900nm的二維三角結(jié)構(gòu)光子晶體。而且使用軟光刻技術(shù)成功制備得到的空氣柱直徑為450nm，晶格常數(shù)為900hm二維三角光子晶體結(jié)構(gòu)，通過光學(xué)測試，在紅外波段證實了二維光子晶體的超棱鏡效應(yīng)，

11、當入射角從15°變?yōu)?1°時，入射光束的傳播/透射角度(折射角)從正變?yōu)樨摚瑢嶒灉y量結(jié)果與理論計算模擬基本一致，并進一步從理論上研究和分析了產(chǎn)生這種超棱鏡現(xiàn)象的物理機理。使用PDMS模板的軟成型及軟光刻印刷制備技術(shù)是一種操作簡單，低成本，可靠的制備光子晶體的方法，通過進一步分析可知，用這種方法制備的精細結(jié)構(gòu)，可以在大面積上獲得無缺陷的150nm譜線寬度。 (第三章)Ⅳ近紅外波段三維聚合物光子晶體激光全息技術(shù)制備及其光學(xué)特性研究通過對多束

12、激光干涉產(chǎn)生的空間干涉光場進行計算模擬，歸納出光束偏振態(tài)改變時，激光相干產(chǎn)生光學(xué)晶格效果的變化規(guī)律，提供了激光全息技術(shù)中激光束偏振態(tài)的最佳組合，使激光全息技術(shù)制備理想的亞微米單晶結(jié)構(gòu)更為方便快捷。進一步利用模擬計算結(jié)果，我們成功制備了一種近紅外波段的三維聚合物光子晶體，此光子晶體的獲得是利用等邊棱鏡全息制備方法：用He-Cd 325nm的連續(xù)激光與負光刻膠SU8相互作用制備了三維面心立方結(jié)構(gòu)聚合物光子晶體，由此介紹了一種能夠保持制備的亞

13、微米晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的處理方法。為能夠精確模擬三維聚合物光子晶體的聚合過程，我們設(shè)計和計算模擬了光刻膠的內(nèi)部吸收狀態(tài)，隨著尺寸的減小，晶體結(jié)構(gòu)的可靠性受吸收的影響就越大。在考慮吸收和未考慮吸收的情況下，由計算模擬得到了面心立方光子晶體結(jié)構(gòu)。用等邊棱鏡全息制備法所制備的三維聚合物光子晶體的掃描電子顯微鏡顯微圖像證實了實驗所得結(jié)構(gòu)的可靠性，進一步通過實驗的分析和制備結(jié)果的討論驗證了理論模擬的正確性。由傅里葉變換紅外光譜儀獲得的紅外分光透射和反射

14、光譜則進一步表明，所制備的晶體結(jié)構(gòu)與計算模擬結(jié)果一致。(第四章) V納米壓印光刻技術(shù)制備聚合物木料堆結(jié)構(gòu)三維光子晶體的初步研究研究的三維聚合物光子晶體計劃利用逐層堆積法制備，結(jié)構(gòu)包括用一維棒狀結(jié)構(gòu)按一定的晶格對稱性按層堆積形成一個晶格結(jié)構(gòu)。我們首先設(shè)計在硅襯底上用E-Beam定位標記，并根據(jù)在上一步獲得的定位標記把每一層的圖案固定在精確位置，然后用逐層堆積方法，獲得木料堆結(jié)構(gòu)，最后制備成低折射率的三維聚合物/SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)，它們在