高质量(2+1)维胶体光子晶体超晶格

28光子晶体是一类介电常数周期性变化的材料。当光在其中传播时,由于布拉格散射,光会受到周期性介电常数的调制,从而形成光子能带结构,产生光子带隙。如果光的频率落在光子带隙范围内,则它不能在光子晶体中传播。类似于半导体能够利用电子能带来控制电子的运动,光子晶体可以利用光子能带来调控光子的行为,因而又被称为光学半导体。光子晶体可以用来制作基于全新原理的或以前无法实现的高性能光学器件,如超紧缩型光波导器件、低阈值发光二极管和激光器、光滤波器、光开关、平板透镜等等。此外,光子晶体在显示、隐身材料、传感、太阳能电池、光纤通信等领域也有着巨大的应用潜力。光子晶体研究的核心内容之一是光子能带结构的调整。类似于半导体中采用超晶格结构实现对其电子能带结构的调控,在光子晶体中也可以构筑超晶格结构,对其光子能带结构进行调控,赋予其更丰富的光学性能,满足实际应用的需要。(2 1)维光子晶体超晶格与单一组元的三维光子晶体及传统的三维光子晶体超晶格相比,具有独特的光学性能。胶体自组装方法是一种工艺简单、成本低廉的光子晶体制备技术,由于可以制备大面积光子晶体而受到广泛关注。为了制备高质量(2 1)维胶体光子晶体超晶格,必须对胶体晶体的厚度实现单层的精确控制并且避免由于胶体球尺寸不同引起的超晶格结构缺陷。

清华大学化学系严清峰课题组采用空气/水界面自组装方法,结合前期发展的溶剂蒸气退火的技术,获得了大面积、高机械强度、高光学质量的单层胶体晶体薄膜,这些薄膜可以转移到任意衬底上,包括刚性/柔性、光滑/粗糙、疏水/亲水衬底。采用层层堆叠(layer-by-layer)技术,制备了一系列不同胶体球尺寸及不同堆叠次序和周期的(2 1)维胶体光子晶体超晶格。研究结果显示,通过胶体球尺寸的选择可以有效调控(2 1)维胶体光子晶体超晶格光子禁带的位置,使得超晶格的禁带位置能够根据应用需要落在近紫外、可见光、近红外波段。紫外-可见-近红外分光光度计对超晶格的光学特性测试结果表明,(2 online casino 1)维胶体光子晶体超晶格相较于传统三维胶体光子晶体,具有宽光谱、入射角度不敏感的特性。进一步对超晶格的禁带位置进行精密调控使其与LED的发光波长相匹配,并将其应用于GaN基LED作为背反射镜。与传统LED相比,带有(2 1)维胶体光子晶体超晶格背反射镜的LED的出光效率提高了97.3%,在一定程度上解决LED出光效率不高的问题。

胶体化学自组装方法制备的高质量(2 1)维光子晶体超晶格,为研究光子晶体的能带和光传输特性提供了实验模型,将进一步充实光子晶体的基础理论,为设计基于光子晶体超晶格的新型光学器件提供理论依据。同时,也为低成本制作新型光子晶体光学器件打下坚实的基础。相关成果发表在近期出版的Small杂志上(Small, 2015, DOI: 10.1002/smll.201501026)。