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光子晶体的制造方法






时间:2009-03-14 23:24来源: 作者: 点击:

核心提示: 詹佳桦陈晖教授中央大学化工与材料工程学系(中国台湾省) 随着科技的日新月异人类的的生活水平也日益提升,传统的有机或无机材料已不能满足现今人们的需求,因此研发更新型、更具功能性的材料来因应人类的需求是刻不容缓的课题。科学家为了改善人类的生活不


             詹佳桦    陈晖教授    中央大学化工与材料工程学系(中国台湾省)
       随着科技的日新月异人类的的生活水平也日益提升,传统的有机或无机材料已不能满足现今人们的需求,因此研发更新型、更具功能性的材料来因应人类的需求是刻不容缓的课题。科学家为了改善人类的生活不断地力于新材料的研发,纳米时代的来临更为人类的生活带来新的契机。
      近年来科学家发现多孔性材料中的孔洞若其孔径接近光波长且若具有高度的排列秩序则该多孔洞材质拥有特殊且高实用性的光学性质,可广泛应用于光催化、生物载体、吸附、过滤、绝缘、半导体以及微量感应等领域。虽然近年来已有许多科学家发表利用界面活性剂或是触媒等方法制作高排列秩序微孔洞(孔径小于2 nm)、中孔洞(孔径小于10nm)多孔材的研究,但对于具有高度秩序排列且大尺寸之巨孔洞(100~1000nm)多孔材料制备的方法仍无确切的实验方法。
       巨孔洞多孔结构由于具有特定的物理结构因此可使光波在物质中的电磁特性加以改变,E. Yablonovitch及S. John在1987年同时指出具有电磁波波长尺度之周期排列之介质大小为波长之1/2,也就是远红外与可视光之波长大小之1/2(300~700nm),可使得电磁波在此具有高度排列秩序的材料中之行为将有如电子在晶体中般可被介质的空间结构、排列周期、结构形式以及介电常数所控制,因此不需要改变介质本身的化学结构,仅需在介质的波长尺度以及光子能隙进行设计便可制造出具有不同光特性的产物,此种新式的人工晶体称为光子晶体(photonic crystal),被视为非常具有潜力的新一代光电材料。
一维、二维及三维光子晶体
       光子晶体是在一维、二维或三维架构上具有高度秩序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维架构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。而具有二维或是三维高度秩序排列的结构则是目前在光子晶体领域中最受到重视的一环。

      
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                             圖3.1 一維、二維及三維架構模型
            ( 取自
                             圖3.2 新式光子晶體纖維 (取自Science 299,358,2003)纳米
光蚀刻技术制造二维及三维光子晶体
       利用光蚀刻技术制造二维光子晶体的研究是目前的研究主流,因为利用光蚀刻技术不但可以精确地制造出高度次序排列的数组,更可利用光罩的设计来达成光波导的行径方向。

                   圖3.3 利用光蝕刻技術製造二維光子晶體nano,

利用光蚀刻技术可成功的制造出二微光子晶体,比方在光子晶体结构中制造一瑕疵点,则会使得某些波长的光无法穿越此光子晶体而成为光子绝缘体,因而这些特定波长的光子将被限制在瑕疵点中,进而形成一高密度、高能量的共振场,则可制造出零临界电压的雷射发生器。




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圖3.4 二維光能隙雷射模型 (取自 Science 284,1819,1999)

同时这种具有共振特性之光子晶体因为对光波长具有选择性,因此也可利用其将特性波长的光子取出并转向,作为光通讯中的滤波仪器。

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圖3.5 利用光蝕刻技術設計光波導方向(取自 Science 282,275,1998)
2000年Susumu等人在科学期刊中发表利用光蚀刻技术成功的制造出具有明显光能隙的三维光子晶体,但是由于光罩对位等条件的限制,因此该系列的三维光子晶体的层数并不理想。纳米

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圖3.6 光蝕刻技術製造三維光子晶體 (取自 Science 289,605,2000)nano
       综上所述,利用光子晶体所设计的新式光学波导可以在低折射率如空气中的环境传播,有别于传统光学波导传播需受限在高折射率的介质中的情形,因此可大幅改善传统光学波导中诸如色散效应、能量传递、可弯曲程度受限制的情形。此种光子晶体可取代传统光纤,应用在光通讯与积体光学仪器的领域,具有非常大的商业价值。
自组装(Self-Assembly) 制造三维光子晶体
       到目前为止,光子晶体的制备多是利用由上而下的蚀刻来制作,该制作的程序不但繁杂亦很难做到三维的结构。相对的,若我们效法生物体利用自组装生成诸如头发、牙齿以及骨头等模式,采取由分子程度逐步建构至纳米程度的结构,亦即由下而上的方法可解决上述的问题。
       在目前的科学研究中,以自组装模式制造三维光子晶体的多是采用均一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅纳米颗粒利用自然、离心、抽滤以及真空等方式将纳米颗粒制成模板,再于模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应,最后利用锻烧与萃取等方式将有机模板移除,可生成具有光学晶体性质之高度均ㄧ孔径之三维光子晶体。


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圖3.7 均ㄧ粒徑聚苯乙烯粒子(取自
一般而言利用自然干燥的方式可能得到六面(hexagonally close packed)、面心(face-centered cubic)、体心(body-centered cubic)以及杂乱(random)堆积等形式,但若以离心干燥的方式则可能得到紧密堆积的纳米颗粒模板。

圖3.9 利用均ㄧ粒徑纳米顆粒可堆疊出不同形式的模板- Nanoscience & Nanotechnologybi4g.r/LP
ZV


圖3.10 利用抽濾法製造三維光子晶體 (取自 Science 281,538,1998)

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