反蛋白石及TiO2空心微球非密堆积FCC结构光子晶体的制备及其带隙研究

论文摘要

光子晶体在信息技术产业等领域有着广阔的应用前景,光子晶体的制备及带隙研究成了当今世界研究的热点。本论文通过改进的溶胶-凝胶技术制备了高质量的二氧化硅微球。采用无乳化剂乳液聚合方法合成了单分散的聚苯乙烯微球。探讨了垂直沉积法组装胶体晶体的原理,利用垂直沉积技术制备了高质量的二氧化硅和聚苯乙烯微球胶体晶体,总结了二氧化硅和聚苯乙烯两种微球胶体晶体的适宜生长条件。结合胶体晶体模板技术,采用二氧化硅微球胶体晶体为模板,通过简易的无乳化剂乳液聚合法制得了三维高度有序、结构完整的聚苯乙烯反蛋白石结构光子晶体。利用聚苯乙烯微球胶体晶体为模板,通过溶胶-凝胶技术制备了高质量的二氧化钛反蛋白石结构光子晶体。SEM（扫描电子显微镜）、TEM（透射电子显微镜）图片显示出这两种晶体在较大范围内保持着FCC（面心立方）密排的有序结构。设计了一种空心球非密堆积FCC结构光子晶体模型,这种结构的光子晶体在第八、九能带之间存在着相当宽的三维完全光子带隙,而且产生这一光子带隙所需要的介电对比度很低。结合溶胶-凝胶技术及湿法刻蚀技术,制备了二氧化钛空心球非密堆积FCC结构光子晶体。对于FCC结构高频带的光子带隙来说,晶体结构的无序和缺陷对光子带隙的影响是相当大的,我们在空心球非密堆积FCC结构基础上提出了空心球的非密堆积FCC单轴结构模型。能带计算结果表明该模型在低频带（第二、三能带）之间存在一个三维完全光子带隙。我们还讨论了不同结构参数对带隙宽度和带隙中心频率的影响。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体的概念
• 1.2 光子晶体的结构
• 1.3 光子晶体的特征
• 1.4 光子晶体与半导体的比较
• 1.5 完全光子带隙的产生
• 1.6 光子晶体的应用
• 1.6.1 高效率低损耗反射镜
• 1.6.2 光子晶体波导
• 1.6.3 光子晶体谐振腔
• 1.6.4 高效发光二级管
• 1.6.5 光子晶体超棱镜
• 1.6.6 光子晶体激光器
• 1.6.7 光子晶体偏振片
• 1.6.8 光子晶体光纤
• 1.6.9 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤光器
• 1.7 光子晶体的制作
• 1.7.1 微机械加工法
• 1.7.2 自组装法
• 1.8 光子晶体的理论研究方法
• 1.8.1 平面波方法
• 1.8.2 转移矩阵方法
• 1.8.3 有限差分方法
• 1.8.4 多重散射法
• 1.8.5 N阶（Order-N）法
• 1.9 本论文的主要研究工作
• 第二章 单分散胶体微球的制备
• 2.1 单分散二氧化硅微球的制备
• 2.1.1 溶胶-凝胶工艺
• 2.1.2 多步生长法特点
• 2.1.3 二氧化硅微球的制备
• 2.1.4 结果及讨论
• 2.2 单分散聚苯乙烯微球的制备
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 聚苯乙烯微球的制备
• 2.2.3 单分散聚苯乙烯微球粒径的影响因素分析
• 2.2.4 结果及讨论
• 2.3 本章小结
• 第三章 二氧化硅、聚苯乙烯微球胶体晶体的制备
• 3.1 垂直沉积法组装胶体晶体的原理
• 3.1.1 垂直沉积法组装胶体晶体薄膜的微观过程分析
• 3.1.2 垂直沉积法组装胶体晶体的条件分析
• 3.2 二氧化硅微球胶体晶体的制备
• 3.2.1 制备
• 3.2.2 结果及讨论
• 3.3 聚苯乙烯微球胶体晶体的制备
• 3.3.1 制备
• 3.3.2 结果及讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 反蛋白石结构光子晶体的制备
• 4.1 聚苯乙烯反蛋白石结构光子晶体的制备
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 二氧化硅微球胶体晶体模板的热处理
• 4.1.3 聚苯乙烯反蛋白石结构胶体晶体的制备
• 4.1.4 结果及讨论
• 4.2 二氧化钛反蛋白石结构光子晶体的制备
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 聚苯乙烯微球胶体晶体模板的热处理
• 4.2.3 二氧化钛反蛋白石结构光子晶体的制备
• 4.2.4 结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 空心球非密堆积FCC结构的研究
• 5.1 光子晶体理论
• 5.1.1 光子晶体主方程
• 5.1.2 平面波展开法
• 5.2 空心球非密堆积FCC结构的研究
• 5.3 空心球非密堆积FCC结构的制备
• 5.3.1 制备
• 5.3.2 结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 空心球非密堆积FCC单轴结构的设计
• 6.1 引言
• 6.2 能带的计算
• 6.3 结构参数对禁带宽度和禁带中心频率的影响
• 6.3.1 空心球内半径rs对带隙宽度和带隙中心频率的影响
• 6.3.2 空心管内半径rc对带隙宽度和带隙中心频率的影响
• 6.3.3 球壳的厚度与管壁的厚度t对带隙宽度和带隙中心频率的影响
• 6.4 空心球非密堆积FCC单轴结构晶体的实现
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract