欢迎来到新万博体育网址|水晶宫官网官网!
服务热线: 0755-86081680   邮箱: info@frd.cn
HR招聘微信

News 导热材料及器件

京东的六大子公司微纳光电新万博体育网址材料及器件

日期: 2019-10-15
浏览次数:

  微纳光电材料及器件_电子/电路_工程科技_专业资料。第六章 微纳光电材料及器件 概要 6.1 纳米光电材料及器件 6.2 光子晶体及光子晶体器件 6.3 超材料及相关器件 6.4 表面等离子体激元及器件 6.1 纳米光电材料及器件 ? 纳米材料

  第六章 微纳光电材料及器件 概要 6.1 纳米光电材料及器件 6.2 光子晶体及光子晶体器件 6.3 超材料及相关器件 6.4 表面等离子体激元及器件 6.1 纳米光电材料及器件 ? 纳米材料是一种粒子尺寸在0.1到100nm的材 料。 ? 纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或 化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最 重要的一点就是实现光电转化。 6.1 纳米光电材料及器件 纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。 ? 纳米粉:又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳 米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观 物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。 ? 一维纳米材料:指直径为纳米尺度而长度较大的线状 材料。分为纳米线和纳米管。 ? 纳米膜:纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米 颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密 膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜 6.1 纳米光电材料及器件 纳米光电材料的性能: ? 小尺寸效应:由于纳米颗粒尺寸与光波波长、电子德布罗意波长 等物理特征尺寸接近,材料的声、光、电、磁、热力学性质均发 生改变 ? 表面效应:纳米颗粒尺寸变小,表面积大,增加了表面态密度, 不但引起材料表面原子输运和构型的变化,同时也改变了表面电 子自旋构像和电子能谱。 ? 量子尺寸效应:由于电子在三维方向上均受到限制,电子能级表 现出类似于原子的离散能级结构,这使得材料的吸收特性和光发 射特性均不同于宏观材料。 光学和电学性质异于宏观光电材料的特征 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体概念的产生: 1987年,E. Yablonovitch 及S. John不约而同 地指出:在介电系数呈周期性排列的三维介电 材料中,电磁波经介电函数散射后,某些波段 的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减, 无法在系统内传递,相当于在频谱上形成能隙, 于是色散关系也具有带状结构,此即所谓的光 子能带结构(photonic band structures)。 ? 具有光子能带结构的介电物质,就称为光能隙 系统(photonic band-gap system, 简称PBG 系统),或简称光子晶体(photonic crystals)。 ? 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质,英 文Photonic Crystal,简称PC 。 1.1987年,E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和 光子局域时分别提出光子晶体这一新概念。 2.1991年,Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为 具有完全禁带的三维光子晶体。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ? 基本特性 光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的 自发辐射的特点 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ? 光子晶体(photonic crystal) 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学 微结构材料,其最根本的特征是具有光子禁带。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 具有不同折射率(介电常数 )的介质材料随空间呈周期 性的变化时,在其中传播的 光波的色散曲线将成带状结 构,当这种空间有序排列的 周期可与光的波长相比位于 同一量级,而折射率的变化 反差较大时,带与带之间有 可能会出现类似于半导体禁 带的“光子禁带”(photonic band gap) 。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子带隙 ? 光子带隙是一个频率区域,当入射光的频率落在其 中时,它被完全反射,不能穿过光子晶体。 ? 光子带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。 ? 物理上,光子带隙来源于被周期性介电结构强散射 的光之间的干涉。 1、光子晶体的空间结构---能否相干 2、新万博体育网址,构成的光子晶体材料介电常数之比---散射强度。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体特性 ? 光子带陷:在一定频率范围内的光子在光子晶体内的 某些方向上是严格禁止传播的。 ? 光子局域:在光子晶体中引入杂质和缺陷时,与缺陷 态频率符合的光子会被局限在缺陷位置,而不能向空 间传播。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ? 光子局域 6.2 光子晶体及光子晶体器件 自然界中的光子晶体: 盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球 (nano-sphere)沉积形成的矿物,其色彩缤纷的外观与色素无关, 而是 因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构,随着能隙位置不 同,反射光的颜色也跟着变化;换言之,是光能隙在玩变色把戏。 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶 在生物界中,也不乏光子晶体的踪 影。以花间飞舞的蝴蝶为例,其翅 膀上的斑斓色彩,其实是鳞粉上排 列整齐的次微米结构,选择性反射 日光的结果. 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体器件 光子晶体的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等 方面。目前,市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。 光子晶体光纤 光子晶体光纤又被称为微结构光纤,近年来引起广泛关注,它的横截面上有较 复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度与光波波长大 致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在光纤芯区传播。 特点: 1.实现大功率单模激光传输;. 2. 宽波段的单模性质 3. 具有良好的色散性质 4. 高的双折射特性 5.可以实现多芯传输 6.2 光子晶体及光子晶体器件 大模场晶 体光纤 多模 多模大数值孔 晶体光纤 径晶体光纤 高非线性 晶体光纤 保偏非线 光子晶体及光子晶体器件 Schematic of a variety of photonic functions that could be realized in a photonic crystal based integrated circuit. 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ? 光子晶体光纤 ? 光子晶体光纤又称多孔光纤,微结构光纤,最早 由Russe11等人在1992年提出的。 ? 它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包层由规 则分布的空气孔排列成六角形的微结构组成,纤 芯由石英或空气孔构成线缺陷,利用其局域光的 能力,将光限制在纤芯中传播。 ? PCF导光机制分为两种,一种光子带隙光纤( FBG-PCF),另外一种是全内反射光子晶体光 纤(TIR-PCF)也称折射率引导光子晶体光纤 。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 ?利用包层对一定波长的光 形成光子能隙,光波只能 在芯层形成的缺陷中存在 和传播。 ?能量传输基本无损失,也 不会出现延迟等影响数据 光子带隙光纤 传输率的现象。 ?光子晶体制成的光纤具有 极宽的传输频带,可全波 折射率引导型光纤 段传输。 (a)普通光纤, (b)-(c)光子晶体光纤 6.2 光子晶体及光子晶体器件 光子晶体发光二极管 一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的无 数次的反射 ,大部分光不能有效地耦合出去, 二极管的光 辐射效率很低 。如果将发光二极管的发光中心置入一块特制 的光子晶体中,并使得该发光中心 的自发辐射频率与该光子 晶体的光子禁带重合 ,则发光中心发出的光不会进入包围它 的光子晶体中,而只能沿着特定设计的方向辐射并传导出去。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 左边是传统的 LED结构,可以看到它的全反射,现有的 LED 临界度是比较小的,相对的,光子晶体蓝色 LED所设计出来 的 LED,由于衍射的关系,可以修正光的角度,修正后的光 可以可进入临界角投射到外面,改善过去 LED的光会全部反 射的问题。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED (a) top xiew of PhC blue LED (b)Cross-section view of 2-D PhC 在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极,这样一个独特 设计,使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体 LED的效率 比一般的 LED高出 50%。 6.2 光子晶体及光子晶体器件 激光发射器 发射波长的 变化会改变 传输损耗 随功率的增 加线宽趋于饱 和, 并重新展 宽 传统激光器的缺点 辐射角比 较大 耦合效率不高 6.2 光子晶体及光子晶体器件 如果在一块三维光子晶体的光子禁 带中引入缺陷,然后在其中放置工 作物质,缺陷态将构成一个波导, 激光发出的方向将沿此方向,同样 自发辐射也只能沿此方向,即自发 辐射与激光出射方向角几乎为零。 这样几乎所有的自发辐射都用来激 发已实现反转分布的激活介质而无 其他损失。泵浦的能量几乎全部用 来产生激光, 这使激光器阈值降 低,并且提高了能量转换效率。这 种激光器体积小、 阈值低, 功率 高、 易于光纤耦合, 且可在小区 域密集分布的。 出现在能隙中的缺陷态 6.2 光子晶体及光子晶体器件 1 9 9 9年, 美国加州理工学院谢勒( A.S c h e r e r ) 领导的研究组首次报道了可在室温下工作且运转在 1 5 5 0纳米的光子晶体激光器。 光子晶体激光器顶部和剖面示意图 6.3 超材料及相关器件 Metamaterials(超材料) ? “Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的 学术词汇,目前尚未有一个严格的、权威的定义,但一般 文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备 的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 6.3 超材料及相关器件 什么是超材料? 6.3 超材料及相关器件 超材料的三个重要特征 ? 超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料; ? 超材料具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不 具备的); ? 超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质,而决 定于其中的人工结构。 6.3 超材料及相关器件 n 2 ? ?? ? 那么折射率就有正负两个根: n ? ? ?? , n ? ? ?? ? 我们习惯上舍弃负根,只保留正根。 ? 什么情况下折射率才取负值? 6.3 超材料及相关器件 2? ? n? ? k? k 定义 k ? ? c n ?? E ? H k k ? E ? 0, k ? H ? 0, k ? E ? ? 0 ??H , k ? H ? ?? 0?? E. 带入第三和第四式,得 ??0c n ? k ? H ? ?E ?? 0c ? 成右手系, 按照定义,E, H 和单位矢量 k 所以以上两式左边系数必皆为正,即要求 折射率n和介电常数 ? 、磁导率 ?同号。 6.3 超材料及相关器件 n ? ?? 2 当? ? 0, ? ? 0时,n ? ? ?? ? 0; 当? ? 0, ? ? 0时,n ? ? ?? ? 0. Veselago在1967年预言了负折射率的存在。 由于在此介质中,电场、磁场和波矢成左手系,所以, 负折射率介质又称左手介质,相应地,正折射率介质被 称为右手介质。负折射率材料中,能流方向和相速度方 向相反。 6.3 超材料及相关器件 负折射率 6.3 超材料及相关器件 6.3 超材料及相关器件 反常Doppler效应 ? 声波的Doppler效应。 ? 在正常材料中,波源和观察者如果发生相对移动, 会出现Doppler效应:两者相向而行,观察者接 收到的频率会升高,反之会降低。 ? 但在负群速度材料中正好相反,因为能量传播的 方向和相位传播的方向正好相反,所以如果二者 相向而行,观察者接收到的频率会降低,反之则 会升高,从而出现反常Doppler频移。 6.3 超材料及相关器件 负折射率介质中的反常Cherenkov辐射 ? 超音速 ? 在真空中,匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。 ? 在介质中,当带电粒子匀速运动时会在其周围引 起诱导电流,从而在其路径上形成一系列次波源, 分别发出次波。 ? 当粒子速度超过介质中光速时,这些次波互相干 涉,从而辐射出电磁场,称为Cherenkov辐射。 6.3 超材料及相关器件 负光压——光子动量 ?k 6.3 超材料及相关器件 实验制得的左手材料结构 左手材料的研制被《科学》杂志评为2003年度全球十大科学进展。 6.3 超材料及相关器件 视觉隐身技术 ? 在自然界中,光线总是正折射的,所以光线的 偏折有着天然的限制,而负折射材料则打破了 这种限制。 要实现材料的隐身,最关键的技术就是制造出 能扭曲可见光波的材料,只要制造出性能合适 的材料,实用的“隐身衣”完全可能在近期问 世。而负折射材料既可以实现这种光的扭曲。 ? 6.3 超材料及相关器件 电磁波沿曲线传播 电磁波的传播方向取决于介质的性质 6.3 超材料及相关器件 隐身衣的基本原理 人之所以能看到物体,是因为物体阻 挡了光波通过。如果有一种材料覆盖 在物体表面,能引着被物体阻挡的光 线弯曲并“绕着走”,那么光线就似 乎没有受到任何阻挡。在观察者看来, 物体就似乎变得“不存在”了,也就 实现了视觉隐形。 6.3 超材料及相关器件 隐身衣的基本原理 6.3 超材料及相关器件 隐身衣的研究进展 ? 加州大学伯克利分校纳米科学技术中心的华裔教授张翔 领导着实验室的两只研究小组研制出了两种新的超材料。 这两项成果分别刊登在上一期的《自然》和《科学》杂志 上,这是近年来在光负折射率上取得的重大成果。 这两项研究都是基于不同的物理原理,目的都是为了实 现对光线的负折射效应。 隐身衣 具有隐形能力的超材料显微照片 (左)和结构示意图(右)。 超材料,是纳米级的,比 一张纸还要薄约十分之一 加拿大“超隐形生物科技”公司研制的隐形衣。 6.3 超材料及相关器件 ? 超级透镜(完美透镜) ? Pendry在2000年提出利用负折射率材料制作 “超级透镜”。 ? “超级透镜”成像: 1、一块平板就能构成一块透镜; 2、所有傅立叶分量全部聚焦; 3、能放大倏失波。 6.4 表面等离子体激元及器件 表面等离子体激元 ( Surface Plasmon Polaritons,SPPs): ? 是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波 的传播模式,或者说是在局域金属表面的一种自由电子和 光子相互作用形成的混合激发态。 ? 当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时,金属表面的自 由电子发生集体振荡,电磁波与金属表面自由电子耦合而 形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波,如果电子的 振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振,在共振状 态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集 体振动能,这时就形成的一种特殊的电磁模式:电磁场被 局限在金属表面很小的范围内并发生增强,这种现象就被 称为表面等离激元现象。 6.4 表面等离子体激元及器件 表面等离子体波(Surface plasma wave,SPW) 表面等离子体激元可以沿着金属和电介质的界面传 播,而在垂直于界面方向则迅速以指数形式衰减,这使 得光波被约束在远小于光波自由空间波长的空间尺寸内。 因此,利用表明等离子体激元,可以在亚波长尺度上控 制光的行为,从而满足一定的应用需求。 6.4 表面等离子体激元及器件 ? 表面等离子体光波导 鉴于表面等离子体激元的电磁场被约束在金属及介质 面附近并沿着界面传输的性质,这种金属介质面结构可以 用作光波导,即表面等离子体光波导。 由于表面等离子体激元只是被约束在二维平面内,而 在金属介质面内任意方向均可自由传播,因此表面等离子 体光波导只相当于二维的波导结构。需要附加一定的限制 条件,才能使表面等离子体激元的光频电磁场沿特点方向 传输,实现对表面等离子体激元传播行为的进一步控制。 科学家们提出了多种不同结构、不同维数的表面等离 子体光波导:金属薄膜结构、金属纳米粒子链结构、“三 明治”结构、“V”型结构、槽型结构、缝隙型结构等。 表面等离子体光波导可以真正实现在亚波长尺度范围 内对光场的控制。 6.4 表面等离子体激元及器件 密 界面 疏 当以波动光学的角度来研究全反射时,人们发现当入射 光到达界面时并不是直接产生反射光,而是先透过光疏介质 约一个波长的深度,再沿界面流动约半个波长再返回光密介 质,而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称 为倏逝波。 6.4 表面等离子体激元及器件 在玻璃与金属薄膜界面 处发生全内反射时渗透 到金属薄膜内的倏逝波 , 引发金属中的自由电子 产生表面等离子体子, 当表面等离子体与倏逝 波的频率相等时,二者 将发生共振,界面处的 全反射条件将被破坏, 呈现衰减全反射现象, 入射光被金属表面电子 吸收,使反射光能量急 剧下降 6.4 表面等离子体激元及器件 当入射光波长固定时, 反射光强度是入射角的 函数,其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角 6.4 表面等离子体激元及器件 1.棱镜耦合 也称衰减全反射(Attenuated Total Reflection, ATR),有Kretschmann 结构(a)和Otto结构(b)两种形式。在Kretschmann结构中,金属膜直接镀在棱 镜(折射率np)表面,当入射光波(波矢量k0) 的入射角度(θ)大于临界角时, 会在棱镜和金属界面处发生全反射,并产生一个消逝波,只要金属膜的厚度不 是太厚就可激发出金属/ 空气界面上的SPP波。而在Otto结构中,棱镜的表面 和金属之间存在一个很窄的空气缝隙,利用棱镜和空气界面处全反射的消逝 波来满足波矢匹配条件,激发金属/空气界面上的SPP。 棱镜耦合法仍然是目前SPR传感中应用最为广泛的方法。 6.4 表面等离子体激元及器件 ? SPR传感器的基本原理 ? 表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长?、金 属薄膜的介电常数?s及电介质的折射率ns有关,发生共振 时θ和?分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄 膜,如果固定θ,则?与ns有关;固定?,则θ与ns有关。 ? 如果将电介质换成待测样品,测出共振时的θ或?,就可以 得到样品的介电常数?s或折射率ns;如果样品的化学或生 物性质发生变化,引起ns的改变,则θ或?也会发生变化, 这样,检测这一变化就可获得样品性质的变化。 ? 固定入射光的波长,改变入射角,可得到角度随反射率变 化的SPR光谱;同样地,固定入射光的角度,改变波长, 可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反 映了体系性质的变化。 6.4 表面等离子体激元及器件 SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 ,当表面 介质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。因此, SPR 谱(共振角的变化 vs 时间)能够反映与金属膜表面接 触的体系的变化。 SPR传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度(或波长) 调节部件以及光检测器件,用于产生SPR并检测SPR光谱的变化。 第一章 半导体发光材料及器件 ? 基本概念:能带、导带、价带、禁带;直接带隙材 料、间接带隙材料;本征半导体、非本征半导体 ? PN结形成的原理 ? 半导体发光的原理 ? 典型半导体发光材料 ? 发光二极管原理、结构、特性 ? 半导体激光器原理、结构、特性 第二章 光电探测材料与器件 ? ? ? ? 光电效应的物理机制。 内光电效应、外光电效应的原理及对应的器件 光生伏特效应,光电导效应的机制 光敏电阻、光电二极管(包括PIN管和雪崩二极 管)、光电三极管、光电三极管的结构、工作原理 和特性 ? 了解各种光电探测器的主要优缺点 第三章 激光材料与器件 ? ? ? ? ? ? ? 固体激光器的工作物质的组成。 基质材料和激活离子的作用和影响,及其分类。 红宝石激光器、Nd:YAG激光器的工作原理和特性。 固体激光器的结构。 气体激光器的分类、特性。 He—Ne激光器的工作原理和特性。 准分子激光器、染料激光器、光纤激光器的特点。 第五章 光纤材料及光纤器件 ? 光纤的结构,光纤导光的原理,数值孔径,光纤的 损耗的来源 ? 石英光纤和塑料光纤的特点 ? 光纤有源器件(光纤活动连接器 、光衰减器、耦合 器、波分复用器/解复用器、光隔离器)的原理。 ? 光纤有源器件(光开关 、光放大器,光纤激光器) 的原理。 第六章 微纳光电材料及器件 ? ? ? ? ? 光子禁带的概念及特性 光子晶体光纤的导光原理 负折射率及其应用 表面等离子体激元的概念 SPR传感器的基本原理

友情链接: