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一维光子晶体的理论计算及三维反蛋白石结构的研究

作　者: 邓立儿
导　师: 王永生
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学
关键词: 光子晶体传输矩阵法光子带隙有序大孔结构自发辐射二次模板法
分类号: Q51
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光子晶体由于具有独特的调节光子传播状态的功能,是光电集成和光通信的基础材料,有关光子晶体的研究是目前信息功能材料研究的前沿领域。本论文理论部分以一维光子晶体为研究对象,计算模拟了不同结构光子晶体的光学特性；实验部分围绕以三维胶体晶体为模板制备得到的有序大孔材料展开,系统研究了其形成机理、微观结构、带隙性质及应用。主要内容包括以下几个方面：1.针对普通光子晶体全反射镜的两大缺点,设计了宽频带一维三元光子晶体异质结构全方向反射镜,异质结构有效的增大了全反镜的工作带宽,三元结构可以降低对制备精度的要求。基于一维光子晶体超晶格的多通道滤波器中,通过改变晶格的结构参数即可以很方便的调节光子禁带中透射带的数目以及透射带中透射峰的数目。讨论了分别由Al、Ag、Au、Cu四种金属和SiO2构成的金属／电介质型光子晶体的透射和吸收光谱以及这两者之间的关系,结果表明光子晶体中金属的吸收行为并不只是跟光子晶体的带隙结构有关,而更多的是取决于晶体中电场的空间分布情况。2.采用改进的垂直沉积法制备了各种不同粒径微球的聚苯乙烯胶体晶体模板并对它们进行了表征。针对目前TiO2反蛋白石结构制备中的填充率低、易塌陷、表面平整度差、成品率低、尺寸微小等缺陷,使用优化调整的溶胶-凝胶技术结合模板技术、高温煅烧技术制备得到了大面积周期有序的TiO2多孔结构。扫描电镜照片显示,其结构表面平整,塌陷和缺陷极少。以稀土Tb3+作为探针,研究了TiO2反蛋白石结构的光子带隙对其自发发射光谱的调制,观察到了光子带隙对处于其禁带中心的光发射的抑制和处于其短波带边的光发射的增强。3.以SiO2胶体晶体为模板,使用单体填充而后加热聚合的方法制备了PMMA反蛋白石结构光子晶体,其大孔结构有序性非常良好,在数百平方微米范围内单晶连续无裂纹。利用聚合物PMMA透明、柔韧性高的特点,制备得到了平方厘米量级的柔性可卷曲的反蛋白石结构光子晶体薄膜,这种薄膜可以像卷纸一样被卷曲数圈而不破裂。研究了PMMA反蛋白结构光子晶体对置于其中的有机发光小分子Alq3的自发发射光谱的影响,Alq3的发射光谱在光子带隙处出现了一个凹陷,从而导致了466nm处另一发射峰的出现。二次模板法制备得到了PMMA微球的有序阵列,可以预测,通过往二次模板ZnO反蛋白石结构的孔隙中填充入不同的材料即可得到具有各种功能的微球的周期有序阵列。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 光子晶体的研究背景  12-20
    1.1.1 光子晶体概念的提出  12-13
    1.1.2 光子能带和光子带隙  13-14
    1.1.3 光子晶体的光学特性  14-15
    1.1.4 光子晶体的理论计算方法  15-17
    1.1.5 光子晶体的应用  17-19
    1.1.6 光子晶体对传统光功能材料的调制  19-20
  1.2 胶体晶体及三维有序大孔结构  20-28
    1.2.1 胶体晶体简介  20-21
    1.2.2 胶体晶体的制备方法  21-24
    1.2.3 大孔材料的制备和进展  24-26
    1.2.4 大孔材料的性质和应用  26-28
第2章一维光子晶体的带隙研究  28-48
  2.1 引言  28
  2.2 传输矩阵法  28-31
  2.3 一维电介质/电介质型光子晶体的研究  31-40
    2.3.1 宽频带一维三元光子晶体异质结构全方向反射镜  31-36
    2.3.2 基于一维光子晶体超晶格的多通道滤波器  36-40
  2.4 一维金属/电介质型光子晶体的研究  40-46
    2.4.1 不同金属构成的一维金属/介质型光子晶体的吸收和透射特性  40-43
    2.4.2 一维金属/介质型光子晶体中金属层内的电场分布增强  43-46
  2.5 本章小结  46-48
第3章 PS微球胶体晶体及TiO_2反蛋白石材料的制备与表征  48-68
  3.1 引言  48
  3.2 聚苯乙烯胶体晶体的制备  48-55
    3.2.1 实验材料  48
    3.2.2 垂直沉积法制备胶体晶体的生长原理  48-50
    3.2.3 自组装制备过程  50-51
    3.2.4 测试方法  51
    3.2.5 PS胶体晶体的微观结构表征  51-54
    3.2.6 PS胶体晶体的光学性质  54-55
  3.3 TiO_2反蛋白石材料的制备  55-65
    3.3.1 实验材料  56
    3.3.2 TiO_2反蛋白石结构的制备过程  56
    3.3.3 测试方法  56-57
    3.3.4 TiO_2反蛋白石结构的微观结构表征  57-59
    3.3.5 溶胶—凝胶工艺过程对样品制备的影响  59-63
    3.3.6 TiO_2反蛋白石结构的光学性质  63-65
  3.4 稀土Tb~(3+)在TiO_2反蛋白石结构中的自发发射  65-67
    3.4.1 材料制备  65
    3.4.2 结果与分析  65-67
  3.4 本章小结  67-68
第4章聚合物反蛋白石材料的制备及特性研究  68-88
  4.1 引言  68
  4.2 二氧化硅胶体晶体的制备  68-71
    4.2.1 原料  68
    4.2.2 实验设计  68-69
    4.2.3 SiO_2胶体晶体的结构分析  69-70
    4.2.4 SiO_2胶体晶体的带隙特性  70-71
  4.3 PMMA反蛋白石结构的制备  71-78
    4.3.1 试验设计  71-72
    4.3.2 PMMA反蛋白石材料的结构分析  72-74
    4.3.3 工艺过程对反蛋白石结构的影响  74-77
    4.3.4 PMMA反蛋白石结构的带隙特性  77-78
  4.4 柔性可卷曲PMMA反蛋白石结构薄膜的制备  78-81
  4.5 有机小分子在PMMA反蛋白石结构材料中的自发发射  81-83
    4.5.1 材料制备  81
    4.5.2 结果与分析  81-83
  4.6 二次模板法制备PMMA微球有序阵列  83-87
    4.6.1 电化学沉积法制备ZnO反蛋白石结构  83-84
    4.6.2 原位热聚合法制备PMMA微球有序阵列  84-85
    4.6.3 PMMA微球有序阵列的光学特性  85-87
  4.7 本章小结  87-88
第5章结论  88-90
参考文献  90-104
作者简历  104-107
学位论文数据集  107

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