Ⅲ-Ⅴ族半导体与有机光电材料一维和二维光子晶体结构设计

论文摘要

电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子的能量如果落入在带隙中，传播是禁止的。同样，如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波也会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间出现的带隙，即光子带隙。一定频率范围的电磁波，在光子晶体的特定方向上不能传播。当沿着这个方向入射到光子晶体时，光将全部反射，形成光子带隙。如果光子晶体在所有方向的禁带重合，这种光子晶体被称为完全带隙光子晶体。若带隙不相互重叠，或在某个方向重叠，则称为不完全带隙光子晶体。1987年Yablonovitch和John分别提出了介电常数呈周期性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为，并称这种材料为光子晶体（Photonic crystals）。光子晶体具有控制光在其中的传播的性质，产生了许多崭新的物理特性，可以用于制作全新概念或以前所不能制作的高性能光学器件。目前光子晶体的制备和研究主要集中在波长大于红外、可见光的波段。波长小于可见光波段的光子晶体的理论和实验研究仍然很少，这主要是由于大部分的材料在低于可见光波段存在严重的吸收；另一方面现有的加工工艺制造具有几个纳米或几十个纳米的二维、三维光子晶体还有很大的难度。由于光子晶体在可见光甚至紫外线波段潜在的应用前景，正在成为研究者关注的热点。本论文采用传输矩阵方法对P30T／AlN多层膜、InP和AlN薄膜网络四方结构、NPB薄膜网格三角结构及P30T三角柱状结构分别在紫外区、可见光区和近红外区作为一维和二维光子晶体的带隙特性进行理论分析。对纳米材料用作光子晶体的带隙特性进行了数值模拟，并预测了Ⅲ-Ⅴ族半导体（AlN和InP）、有机光电材料（P30T和NPB）作为光子晶体的可行性。这里我们用Ⅲ-Ⅴ族半导体（AlN和InP）及有机光电材料（P30T和NPB）设计出紫外区、可见光区具有吸收小、易于制造的光子晶体结构，对光子晶体理论研究和新型光学器件应用开发具有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 光子晶体的提出
• 1.2 光子晶体的类型
• 1.3 光子晶体的性质和应用
• 1.4 课题的内容及意义
• 第二章 光子晶体的研究方法
• 2.1 光子晶体的原理
• 2.2 光子晶体的研究方法
• 2.3 光子晶体传输矩阵研究方法
• 2.3.1 一维光子晶体传输矩阵
• 2.3.2 二维光子晶体传输矩阵
• 2.4 Translight光子带隙计算软件
• 第三章 AlN/P3OT多层膜结构一维光子晶体
• 3.1 多层膜一维光子晶体简介
• 3.2 结构模型和计算方法
• 3.3 介质层数变化对H-和E-polarization偏振反射谱及吸收谱的影响
• 3.4 单胞参数和填充比对反射谱的影响
• 3.6 入射角θ随光子能量E变化的透射特性
• 第四章 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料二维光子晶体
• 4.1 Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜网格结构简介
• 4.2 结构模型及计算方法
• 4.3 AlN薄膜四方网格结构带隙分析
• 4.3.1 填充比对反射谱的影响
• 4.3.2 单胞参数对反射谱的影响
• 4.3.3 AlN薄膜四方网格结构的反射和透射特性
• 4.3.4 入射角θ随光子能量E变化的透射特性
• 4.4 InP薄膜网格结构带隙分析
• 4.4.1 InP薄膜四方网格结构的反射和透射特性
• 4.4.2 入射角θ随光子能量E变化的透射特性
• 4.5 本章小结
• 第五章 有机材料二维光子晶体
• 5.1 有机材料光子晶体简介
• 5.2 P3OT柱状三角结构带隙分析
• 5.2.1 结构模型及计算方法
• 5.2.2 介质层数变化对H-和E-polarization偏振反射谱及吸收谱的影响
• 5.2.3 单胞参数和填充比对反射谱的影响
• 5.2.4 入射角θ随光子波长变化的透射特性
• 5.3 NPB薄膜网状结构的带隙分析
• 5.3.1 结构模型
• 5.3.2 NPB薄膜三角形网络二维光子晶体Г-K方向光子能带结构
• 5.3.3 NPB薄膜三角形网络二维光子晶体Г-M方向光子能带结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 发表的学术论文