锗反Opal与三维PLZT-SiO2有序阵列的制备与理论研究

论文摘要

制备并研究具有完全带隙的三维光子晶体和在电场下禁带可调的光子晶体成为目前光子晶体领域研究的热点,本文对三维光子晶体的能带结构进行了全面的数值分析,对胶体模板法制备锗反蛋白石结构光子晶体进行了系统的研究,并对纳米共组装法制备掺镧锆钛酸铅-二氧化硅复合体光子晶体作了探索性研究。本文对三维光子晶体能带结构作了系统全面地分析:首先,应用MPB（MIT Photonic-Bands）软件包计算几种不同结构的光子晶体的带隙结构,包括蛋白石（Opal）结构、介质-胶体复合体（DCC）、反蛋白石（IO）结构、核壳结构（CS）、简单金刚石（SD）结构和木堆结构（Woodpile）;分别求解了临界介电常数εc,验证了简单金刚石结构光子晶体最易实现完全带隙,即具有最小的临界介电常数;在相同介质材料的情况下,对比了几种结构完全带隙中心频率νm与带宽Δ。其次,分析了填充率ff、煅烧因子sf与理想态结构的偏差（ff>100%,sf>1）,以及因此产生的实测光谱上反射（或透射）峰中心波长的蓝移,并创造性地提出了非理想态结构参数平均填充率ffev与平均煅烧因子sfev数值解的返回框图。另外,分析了三维BaTiO3反蛋白石光子晶体的电致带隙变化效应,电场强度的变化引起带隙的产生与消亡,且随着电场强度的增大,带隙中心频率呈线性递增趋势。本文采用胶体模板法通过简单可控的化学填充工艺（CBD）制备了三维空气核-锗壳结构的有序阵列:首先研究了先驱体锗源、先驱体溶液浓度、环境温度对填充效果的影响,得出了最佳填充工艺和煅烧工艺,并采用离心渗透法改进填充的均匀性,最后测量了复合体和反蛋白石结构的反射与透射光谱并与理论计算进行了比较分析。本文研究了PLZT纳米颗粒与SiO2胶体小球的同步自组装工艺:首先应用过氧化物热分解法制备了粒径在20nm40nm范围内分布的PLZT纳米粉体,其分子式符合Pb0.9La0.1（Zr0.65Ti0.35）0.975O3,其次研究了PLZT、二氧化硅微球的乙醇混合体系中,SiO2与PLZT的质量比、SiO2微球的体积浓度（v/v0）对组装效果的影响,以及煅烧温度、退火时间对PLZT壳层致密性的影响。最后研究了聚电解质分散剂对于提高粉体在模板空隙间填充率的作用。

论文目录

• 符号与缩略词说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 光子晶体的研究背景与应用
• 1.1.2 光子晶体的基本原理
• 1.2 光子晶体在红外光电子学领域的应用前景
• 1.2.1 三维锗光子晶体薄膜的应用前景
• 1.2.2 电致可调三维PLZT光子晶体的应用前景
• 1.3 基于胶体模板法的三维光子晶体的制备方法
• 1.3.1 基于胶体模板法的三维锗光子晶体的制备方法
• 1.3.2 基于胶体模板法的三维PLZT光子晶体的制备方法
• 1.3.3 纳米共组装技术
• 1.4 本论文的研究背景和主要研究内容
• 第二章 三维光子晶体光子带隙分析
• 2.1 光子带隙计算原理
• 2.1.1 固体物理概念
• 2.1.2 光学原理
• 2.1.3 计算软件
• 2.2 三维光子晶体带隙分析与数值求解
• 2.2.1 带隙分析
• 2.2.2 临界介电常数值的计算
• 2.2.3 不同结构三维光子晶体带隙特性的比较
• 2.3 基于带隙偏差的三维反蛋白石光子晶体非理想态结构参数的求解
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 趋势分析
• 2.3.3 计算框图与实例分析
• 2.4 三维电致可调光子晶体带隙变化分析
• 2.4.1 理论依据
• 2.4.2 三维反Opal钛酸钡电致光子能带变化效应
• 2.4.3 结论
• 2有序阵列的制备'>第三章 锗反Opal与三维PLZT-SiO₂有序阵列的制备
• 3.1 实验药品与仪器
• 3.2 性能表征方法
• 3.3 CBD法制备三维锗反蛋白石光子晶体工艺研究
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 液相填充工艺的确定
• 3.3.3 锗反Opal煅烧工艺的确定
• 3.3.4 填充工艺存在的问题与改善方案
• 3.3.5 光学带隙测试与分析
• 3.4 纳米共组装工艺制备三维PLZT-Si02有序阵列
• 3.4.1 PLZT纳米颗粒的制备与分散原理分析
• 3.4.2 实验过程
• 3.4.3 粉体性质的测试
• 3.4.4 结果与讨论
• 第四章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果