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低压化学气相沉积/模板技术制备硅反蛋白石三维光子晶体

作　者: 李宇杰
导　师: 谢凯
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 光子晶体 二氧化硅Opal 对流自组装 硅反Opal 低压化学气相沉积
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


光子晶体是近十几年来倍受世人关注的一个新兴的研究领域,光子带隙晶体使人们可以有效地控制和操纵光子。但是如何制备性能良好的三维结构光子晶体,尤其是带隙位于近红外及可见光区域的三维光子晶体,并进一步实现其器件化仍然是一个具有挑战性的工作。本论文以低成本化学制备技术为基础,采用胶体自组装制备二氧化硅蛋白石（Opal）模板,利用低压化学气相沉积填充硅制备硅反蛋白石（Inverse Opal）。进行了三维光子带隙的理论计算,对Opal及反Opal的制备过程和影响因素进行了较为系统的研究,最终制备得到了带隙位于近红外通讯波段的硅反Opal三维光子晶体。并且在硅基片上局域化方槽内制备得到了硅反蛋白石光子晶体阵列,从而实现了对三维光子晶体的裁剪,为光子晶体的器件化作了有益的探索。首先采用MPB软件,分别计算了SiO2 Opal的光学带隙以及两种模型（填充模型与核壳模型）下Si-SiO2复合体与Si反Opal的光学带隙。结果表明:SiO2 Opal垂直（111）面入射时的带隙位于band2-band3之间,为赝带隙。这个带隙中心波长随入射角的增加发生蓝移。Si-SiO2复合体与Si反Opal垂直（111）面入射时,在较高的填充率下存在三个光学带隙,分别位于band2-band3、band5-band6、band8-Band9,其中band2-band3之间的带隙较宽,band5-band6之间的带隙较窄,band8-band9之间的带隙会产生完全带隙。Si-SiO2复合体无完全带隙,较高填充率的Si反Opal具有完全带隙,位于band8-band9之间。复合体与反Opal带隙位置随填充率（壳厚）的增加发生红移论文对胶体自组装制备二氧化硅Opal模板进行了如下研究:通过对二氧化硅微球Opal模板的对流自组装工艺研究,得到了大范围面积内排列有序多层Opal模板,其光学带隙中心波长位于1730nm处,与理论计算基本吻合。结合实验讨论了对流自组装工艺的组装机理。其次采用对流自组装法得到了局域化方槽内的二氧化硅Opal阵列,实现了对三维光子晶体的裁剪。论文对低压化学气相沉积（LPCVD）填充硅技术进行了如下的研究:首先采用低压化学气相沉积（LPCVD）的方法向制备好的二氧化硅Opal模板内填充硅,然后HF反洗去除模板,得到了填充率较高的硅反Opal三维光子晶体。反射与透射光谱测试表明硅反Opal垂直（111）面入射时存在两个带隙,中心波长分别位于2400nm左右（对应Band2-Band3）与1500nm左右（对应Band8-Band9）处,与理论计算基本吻合。通过改

全文目录


图目录  6-8
表目录  8-9
摘要  9-11
Abstract  11-13
第一章 绪论  13-27
  1.1 光子晶体概述  13-18
    1.1.1 光子晶体的概念  13-14
    1.1.2 光子晶体的分类及制备方法  14-16
    1.1.3 光子晶体的应用  16-18
  1.2 三维光子晶体的胶体化学制备方法概述  18-22
    1.2.1 人工合成蛋白石的制备方法  18-20
    1.2.2 反蛋白石的制备方法  20-22
  1.3 光子晶体中缺陷态的引入概述  22-24
    1.3.1 二维光子晶体光波导  22-23
    1.3.2 三维光子晶体缺陷  23-24
  1.4 低压化学气相沉积硅概述  24-25
  1.5 本课题立题依据和主要研究内容  25-27
第二章 Opal及反Opal光子带隙理论计算  27-39
  2.1 引言  27
  2.2 计算软件及方法简介  27-29
  2.3 计算结果与讨论  29-38
    2.3.1 二氧化硅Opal带隙计算  29-30
    2.3.2 硅填充模型理论计算  30-33
    2.3.3 硅核壳模型理论计算  33-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章 对流自组装法制备二氧化硅OPAL  39-61
  3.1 引言  39-40
  3.2 实验材料与实验方法  40-41
    3.2.1 实验试剂  40
    3.2.2 实验仪器  40
    3.2.3 实验方法  40-41
  3.3 结果与讨论  41-60
    3.3.1 分散剂的选择  41-42
    3.3.2 预处理的影响  42-43
    3.3.3 沉积温度的影响  43-45
    3.3.4 衬底放置角度的影响  45-49
    3.3.5 悬浊液浓度的影响  49-52
    3.3.6 二氧化硅Opal光学带隙变角度分析  52-53
    3.3.7 热处理对二氧化硅Opal光子带隙的影响  53-55
    3.3.8 对流自组装法制备SiO_2胶体晶体的机理讨论  55-57
    3.3.9 局域化微槽内二氧化硅Opal阵列的制备  57-60
  3.4 本章小结  60-61
第四章 低压化学气相沉积法制备硅反Opal  61-88
  4.1 引言  61
  4.2 实验材料与实验方法  61-67
    4.2.1 实验药品与实验仪器  61-62
    4.2.2 实验方法  62-66
    4.2.3 硅三维光子晶体的表征  66-67
  4.3 结果与讨论  67-86
    4.3.1 二氧化硅Opal模板制备硅反Opal三维光子晶体  67-81
    4.3.2 局域化方槽内硅反Opal的制备  81
    4.3.3 含面缺陷硅反蛋白石三维光子晶体制备  81-82
    4.3.4 PMMA胶体晶体模板制备二次复型硅反Opal三维光子晶体  82-84
    4.3.5 低压化学气相沉积硅(LPCVD)机理分析  84-86
  4.5 本章小结  86-88
第五章 结论  88-90
致谢  90-91
参考文献  91-95
附录  95

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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