富勒烯、介孔分子篩納米材料光學(xué)傳輸特性與模擬計(jì)算.pdf

1、光子(Photon)具有電子所不具備的優(yōu)點(diǎn)，即光子在介電材料中的傳播速率比電子在金屬導(dǎo)體中的傳播速率要快得多，并且光子之間沒有電子之間的相互作用，能量損耗小。1987年Yablonovitch和John分別提出了介電常數(shù)呈周期性分布的材料可以改變在其中傳播的光子的行為，并稱這種材料為光子晶體(Photoniccrystals)。光子晶體中的光子與一般晶體(電子晶體)中的電子相似，都有能帶結(jié)構(gòu)，都會因?yàn)橛须s質(zhì)和缺陷態(tài)的存在而存在局域態(tài)。由

2、于光子晶體能夠控制光在其中的傳播，所以它的應(yīng)用十分廣泛，目前光子晶體已成為世界研究領(lǐng)域的重要課題之一。在光子晶體材料中，某些頻率波段的電磁波是被完全禁止傳播的，通常將這些被禁止的頻率區(qū)間稱為“光子禁帶”(Photonicbandgap)，如果光的頻率落在禁帶范圍內(nèi)，則它不能在光子晶體中傳播。這種周期性結(jié)構(gòu)控制光的能力遠(yuǎn)高于普通光學(xué)元件控制光的能力，由于其獨(dú)特的性質(zhì)，產(chǎn)生了許多嶄新的物理特性，可以用于制作全新概念或以前所不能制作的高性能光

3、學(xué)器件，如閾值接近于零的半導(dǎo)體激光器、濾波器、光開關(guān)、偏振片、光波導(dǎo)等。理論上講人們可以制造晶格尺寸與光波的波長相對應(yīng)的任意波段的光子晶體，但由于技術(shù)條件的限制目前光子晶體的制備和研究主要集中在波長大于紅外、可見光的波段。而波長小于可見光波段的光子晶體的理論和實(shí)驗(yàn)研究仍然很少，這主要是由于大部分的材料在低于可見光波段介電函數(shù)為一變量呈復(fù)數(shù)形式，且虛部的值較大，存在嚴(yán)重的吸收；另一方面現(xiàn)有的加工工藝制造具有幾個納米或幾十個納米的光子晶體還

4、有很大的難度。 C60的發(fā)現(xiàn)是人類對碳認(rèn)識的新階段，富勒烯是由碳形成的一系列籠形單質(zhì)分子的總稱，而C60是富勒烯系列全碳分子的代表。十多年來人們對其具有的物理和化學(xué)性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。對于C60及其衍生物，要使其優(yōu)異性能付諸于真正的實(shí)際應(yīng)用，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在固體基片上制備出有序的C60及其衍生物薄膜。經(jīng)過不斷的嘗試目前人們已經(jīng)可以在多種金屬、半導(dǎo)體等襯底材料上制備出高質(zhì)量的富勒烯單層膜或多層膜，如襯底材料為Ag，Cu，

5、Si，Ge，GaAs，AlN，GaN的富勒烯單層膜或多層膜結(jié)構(gòu)。但目前富勒烯單層膜或多層薄膜的研究主要集中在界面結(jié)構(gòu)、物理性能及形成機(jī)理等方面，很少有關(guān)于富勒烯薄膜用作光子晶體的研究報道。 自1992年Mobil公司的研究人員首次報道M41S系列介孔分子篩以來，大量的孔徑尺寸在2-30nm尺度的一維層狀結(jié)構(gòu)、一維六方孔道結(jié)構(gòu)、三維立方孔道等不同結(jié)構(gòu)的介孔分子篩相繼合成。介孔分子篩具有獨(dú)特的應(yīng)用價值，早已用于催化、吸附、分離、及半

6、導(dǎo)體等領(lǐng)域。另外研究發(fā)現(xiàn)有些介孔材料具有光子晶體所要求的結(jié)構(gòu)特征，然而到目前有關(guān)介孔分子篩用于光子晶體的理論和實(shí)驗(yàn)研究卻很少，由于光子晶體的晶格尺寸與光波的波長相比擬，而介孔分子篩晶格尺寸在納米尺度內(nèi)任意可控，且具有不同介電常數(shù)的非硅材料的介孔分子篩不斷合成，使介孔分子篩在納米波段將可能成為二維、三維光子晶體材料。 總之，富勒烯薄膜、介孔分子篩作為光子晶體材料目前還幾乎沒有相關(guān)文獻(xiàn)報道，本文以C60、C70薄膜和MCM-41類介

7、孔分子篩為研究對象，使用轉(zhuǎn)移矩陣方法(TMM)從理論上對這兩種類型納米材料作為一維、二維光子晶體的光子帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、計(jì)算。 一、在理論上探討了Fullerenes(C60、C70)/M(AlN、GaN)多層膜作為一維光子晶體的可能性，首次使用傳輸矩陣方法(TMM)計(jì)算了C60/AlN、C60/GaN、C70/AlN多層膜從正入射到掠入射的整個角度范圍內(nèi)獲得紫外線波段高反射的理論問題。計(jì)算發(fā)現(xiàn)C60/AlN、C60/GaN、

8、C70/AlN多層膜在紫外線波段均具有光子帶隙存在，且TM、TE偏振模式重合，為不完全帶隙的光子晶體。當(dāng)多層膜周期厚度為70nm、填充比為0.7時，C60/AlN、C70/AlN多層膜在掠入射(75°)狀態(tài)時，最高反射率可達(dá)90.4％(帶隙中心位置6.2eV、6.09eV)。 二、探討了C60、(C59N)2薄膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為二維光子晶體的可能性。首次使用傳輸矩陣方法計(jì)算了C60、(C59N)2薄膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在近紅外以及可見光波段作

9、為二維光子晶體的帶隙特性。分析表明：同一介電函數(shù)材料、不同的結(jié)構(gòu)模型，或不同介電函數(shù)的材料、同一結(jié)構(gòu)模型，所形成光子帶隙的位置、寬度、周期層數(shù)等光學(xué)特性是不同的。通過控制和選取具有不同介電函數(shù)的C60及其衍生物薄膜材料有可能獲得在近紅外、可見光波段的光子晶體材料。 三、運(yùn)用Cerius2分子模擬軟件，構(gòu)建了MCM-41、SBA-1、SBA-6和SBA-16介孔分子篩的原子結(jié)構(gòu)模型。模擬分析了MCM-41、SBA-1、SBA-6和

10、SBA-16介孔分子篩的X射線衍射譜圖(XRD)。模擬X射線衍射譜和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。另外還分析了MCM-41中孔道尺寸與X射線衍射譜的關(guān)系。 四、在理論上探討了MCM-41類介孔分子篩作為二維光子晶體的可能性，使用傳輸矩陣方法(TMM)計(jì)算了MCM-41、SBA-15介孔分子篩在軟X射線波段作為二維光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)。計(jì)算表明MCM-41類介孔分子篩理論上有可能用做51～170eV(7.29～24.3nm)波段的二維光子晶體材