微纳光电材料及器件

第六章微纳光电材料及器件概要6.1纳米光电材料及器件6.2光子晶体及光子晶体器件6.3超材料及相关器件6.4表面等离子体激元及器件6.1纳米光电材料及器件纳米材料是一种粒子尺寸在0.1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。6.1纳米光电材料及器件纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。•纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。•一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。•纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜6.1纳米光电材料及器件纳米光电材料的性能:•小尺寸效应：由于纳米颗粒尺寸与光波波长、电子德布罗意波长等物理特征尺寸接近，材料的声、光、电、磁、热力学性质均发生改变•表面效应：纳米颗粒尺寸变小，表面积大，增加了表面态密度，不但引起材料表面原子输运和构型的变化，同时也改变了表面电子自旋构像和电子能谱。•量子尺寸效应：由于电子在三维方向上均受到限制，电子能级表现出类似于原子的离散能级结构，这使得材料的吸收特性和光发射特性均不同于宏观材料。光学和电学性质异于宏观光电材料的特征6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体概念的产生：•1987年，E.Yablonovitch及S.John不约而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonicbandstructures)。•具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonicband-gapsystem，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photoniccrystals)。6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质，英文PhotonicCrystal，简称PC。1.1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出光子晶体这一新概念。2.1991年，Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。6.2光子晶体及光子晶体器件基本特性光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的自发辐射的特点6.2光子晶体及光子晶体器件•光子晶体（photoniccrystal）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。6.2光子晶体及光子晶体器件具有不同折射率（介电常数）的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时，带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonicbandgap)。6.2光子晶体及光子晶体器件光子带隙•光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落在其中时，它被完全反射，不能穿过光子晶体。•光子带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。•物理上，光子带隙来源于被周期性介电结构强散射的光之间的干涉。1、光子晶体的空间结构---能否相干2、构成的光子晶体材料介电常数之比---散射强度。6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体特性光子带陷：在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的。光子局域：在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。6.2光子晶体及光子晶体器件光子局域6.2光子晶体及光子晶体器件自然界中的光子晶体：盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果.翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体器件光子晶体的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等方面。目前，市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。特点：1.实现大功率单模激光传输；.2.宽波段的单模性质3.具有良好的色散性质4.高的双折射特性5.可以实现多芯传输6.2光子晶体及光子晶体器件高非线性晶体光纤保偏非线性晶体光纤大模场晶体光纤多模晶体光纤多模大数值孔径晶体光纤6.2光子晶体及光子晶体器件Schematicofavarietyofphotonicfunctionsthatcouldberealizedinaphotoniccrystalbasedintegratedcircuit.6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体光纤光子晶体光纤又称多孔光纤，微结构光纤，最早由Russe11等人在1992年提出的。它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组成，纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在纤芯中传播。PCF导光机制分为两种，一种光子带隙光纤（FBG-PCF），另外一种是全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）也称折射率引导光子晶体光纤。6.2光子晶体及光子晶体器件(a)普通光纤,(b)-(c)光子晶体光纤利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在芯层形成的缺陷中存在和传播。能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。折射率引导型光纤光子带隙光纤6.2光子晶体及光子晶体器件一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的无数次的反射，大部分光不能有效地耦合出去，二极管的光辐射效率很低。如果将发光二极管的发光中心置入一块特制的光子晶体中，并使得该发光中心的自发辐射频率与该光子晶体的光子禁带重合，则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中，而只能沿着特定设计的方向辐射并传导出去。光子晶体发光二极管6.2光子晶体及光子晶体器件左边是传统的LED结构，可以看到它的全反射，现有的LED临界度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色LED所设计出来的LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临界角投射到外面，改善过去LED的光会全部反射的问题。6.2光子晶体及光子晶体器件在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体LED的效率比一般的LED高出50％。(a)topxiewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED6.2光子晶体及光子晶体器件传统激光器的缺点发射波长的变化会改变传输损耗耦合效率不高辐射角比较大随功率的增加线宽趋于饱和，并重新展宽激光发射器6.2光子晶体及光子晶体器件如果在一块三维光子晶体的光子禁带中引入缺陷，然后在其中放置工作物质，缺陷态将构成一个波导，激光发出的方向将沿此方向，同样自发辐射也只能沿此方向，即自发辐射与激光出射方向角几乎为零。这样几乎所有的自发辐射都用来激发已实现反转分布的激活介质而无其他损失。泵浦的能量几乎全部用来产生激光，这使激光器阈值降低，并且提高了能量转换效率。这种激光器体积小、阈值低，功率高、易于光纤耦合，且可在小区域密集分布的。出现在能隙中的缺陷态6.2光子晶体及光子晶体器件光子晶体激光器顶部和剖面示意图1999年，美国加州理工学院谢勒(A．Scherer)领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转在1550纳米的光子晶体激光器。6.3超材料及相关器件Metamaterials（超材料）•“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，目前尚未有一个严格的、权威的定义，但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。6.3超材料及相关器件什么是超材料？6.3超材料及相关器件超材料的三个重要特征•超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；•超材料具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；•超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。6.3超材料及相关器件•那么折射率就有正负两个根：•我们习惯上舍弃负根，只保留正根。•什么情况下折射率才取负值？2nnn,6.3超材料及相关器件定义带入第三和第四式，得按照定义，E,H和单位矢量成右手系，所以以上两式左边系数必皆为正，即要求折射率n和介电常数、磁导率同号。kcnkkˆˆ2.,,0,000EHkHEkHkEkEHkcnHEkcnˆˆ00kˆ6.3超材料及相关器件2n.0n0,0;0n0,0时，当时，当Veselago在1967年预言了负折射率的存在。由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所以，负折射率介质又称左手介质，相应地，正折射率介质被称为右手介质。负折射率材料中，能流方向和相速度方向相反。6.3超材料及相关器件负折射率6.3超材料及相关器件6.3超材料及相关器件反常Doppler效应•声波的Doppler效应。•在正常材料中，波源和观察者如果发生相对移动，会出现Doppler效应：两者相向而行，观察者接收到的频率会升高，反之会降低。•但在负群速度材料中正好相反，因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会升高，从而出现反常Doppler频移。6.3超材料及相关器件•超音速•在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。•在介质中，当带电粒子匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。•当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁场，称为Cherenkov辐射。负折射率介质中的反常Cherenkov辐射6.3超材料及相关器件负光压——光子动量k6.3超材料及相关器件实验制得的左手材料结构左手材料的研制被《科学》杂志评为2003年度全球十大科学进展。6.3超材料及相关器件视觉隐身技术在自然界中，光线总是正折射的，所以光线的偏折有着天然的限制，而负折射材料则打破了这种限制。要实现材料的隐身，最关键的技术就是制造出能扭曲可见光波的材料，只要制造出性能合适的材料，实用的“隐身衣”完全可能在近期问世。而负折射材料既可以实现这种光的扭曲。6.3超材料及相关器件电磁波沿曲线传播电磁波的传播方向取决于介质的性质6.3超材料及相关器件隐身衣的基本原理人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过。如果有一种材料覆盖在物体表面，能引着被物体阻挡的光线弯曲并“绕着走”，那么光线就似乎没有受到任何阻挡。在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，也就实现了视觉隐形。6.3超材料及相关器件隐身衣的基本原理6.3超材料及相关器件加州大学伯克利分校纳米科学技术中心的华裔教授张翔领导着实验室的两只研究小组研制出了两种新的超材料。这两项成果分别刊登在上一期的《自然》和《科学》杂志上，这是近年来在光负折射率上取得的重大成果。这两项研究都是基于不同的物理原理，目的都是为了实现对光线的负折射效应。隐身衣的研究进展隐身衣具有隐形能力的超材料显微照片（左）和结构示意图（右）。超材料，是纳米级的，比一张纸还要薄约十分之一加拿大“超隐形生物科技”公司研制的隐形衣。6.3超材料及相关器件超级透镜（完美透镜）•Pendry在2000年提出利用负折射率材料制作“超级透镜”。•“超级透镜”成像：1、一块平板就能构成一块透镜；2、所有傅立叶分量全部聚焦；3、能放大倏失波。6.4表面等离子体激元及器件表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons，SPPs)：是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波的传播模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。6.4表面等离子体激元及器件表面等离子体激元可以沿着金属和电介质的界面传播，而在垂直于界面方向则迅速以指数形式衰减，这使得光波被约束在远小于光波自由空间波长的空间尺寸内。因此，利用表明等离子体激元，可以在亚波长尺度上控制光的行为，从而满足一定的应用需求。表面等离子体波（Surfaceplasmawave，SPW）6.4表面等离子体激元及器件表面等离子体光波导鉴于表面等离子体激元的电磁场被约束在金属及介质面附近并沿着界面传输的性质，这种金属介质面结构可以用作光波导，即表面等离子体光波导。由于表面等离子体激元只是被约束在二维平面内，而在金属介质面内任意方向均可自由传播，因此表面等离子体光波导只相当于二维的波导结构。需要附加一定的限制条件，才能使表面等离子体激元的光频电磁场沿特点方向传输，实现对表面等离子体激元传播行为的进一步控制。科学家们提出了多种不同结构、不同维数的表面等离子体光波导：金属薄膜结构、金属纳米粒子链结构、“三明治”结构、“V”型结构、槽型结构、缝隙型结构等。表面等离子体光波导可以真正实现在亚波长尺度范围内对光场的控制。6.4表面等离子体激元及器件当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质，而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称为倏逝波。界面疏密6.4表面等离子体激元及器件在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的倏逝波,引发金属中的自由电子产生表面等离子体子,当表面等离子体与倏逝波的频率相等时,二者将发生共振,界面处的全反射条件将被破坏,呈现衰减全反射现象，入射光被金属表面电子吸收,使反射光能量急剧下降6.4表面等离子体激元及器件当入射光波长固定时，反射光强度是入射角的函数，其中反射光强度最低时所对应的入射角称为共振角6.4表面等离子体激元及器件1.棱镜耦合也称衰减全反射(AttenuatedTotalReflection,ATR),有Kretschmann结构(a)和Otto结构(b)两种形式。在Kretschmann结构中,金属膜直接镀在棱镜(折射率np)表面,当入射光波(波矢量k0)的入射角度(θ)大于临界角时,会在棱镜和金属界面处发生全反射,并产生一个消逝波,只要金属膜的厚度不是太厚就可激发出金属/空气界面上的SPP波。而在Otto结构中,棱镜的表面和金属之间存在一个很窄的空气缝隙,利用棱镜和空气界面处全反射的消逝波来满足波矢匹配条件,激发金属/空气界面上的SPP。棱镜耦合法仍然是目前SPR传感中应用最为广泛的方法。6.4表面等离子体激元及器件SPR传感器的基本原理•表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长、金属薄膜的介电常数s及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定θ，则与ns有关；固定，则θ与ns有关。•如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或，就可以得到样品的介电常数s或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。•固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。6.4表面等离子体激元及器件SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此，SPR谱（共振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。SPR传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度（或波长）调节部件以及光检测器件，用于产生SPR并检测SPR光谱的变化。•基本概念：能带、导带、价带、禁带；直接带隙材料、间接带隙材料；本征半导体、非本征半导体•PN结形成的原理•半导体发光的原理•典型半导体发光材料•发光二极管原理、结构、特性•半导体激光器原理、结构、特性第一章半导体发光材料及器件•光电效应的物理机制。•内光电效应、外光电效应的原理及对应的器件•光生伏特效应，光电导效应的机制•光敏电阻、光电二极管（包括PIN管和雪崩二极管）、光电三极管、光电三极管的结构、工作原理和特性•了解各种光电探测器的主要优缺点第二章光电探测材料与器件•固体激光器的工作物质的组成。•基质材料和激活离子的作用和影响，及其分类。•红宝石激光器、Nd：YAG激光器的工作原理和特性。•固体激光器的结构。•气体激光器的分类、特性。•He—Ne激光器的工作原理和特性。•准分子激光器、染料激光器、光纤激光器的特点。第三章激光材料与器件•光纤的结构，光纤导光的原理，数值孔径，光纤的损耗的来源•石英光纤和塑料光纤的特点•光纤有源器件（光纤活动连接器、光衰减器、耦合器、波分复用器/解复用器、光隔离器）的原理。•光纤有源器件（光开关、光放大器，光纤激光器）的原理。第五章光纤材料及光纤器件•光子禁带的概念及特性•光子晶体光纤的导光原理•负折射率及其应用•表面等离子体激元的概念•SPR传感器的基本原理第六章微纳光电材料及器件