光子晶体与超材料1.引言超材料是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。超材料指的是一些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。从本质上讲，更是一种新颖的材料设计思想，这一思想是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。光子晶体作为一类可能在未来信息技术中发挥重要作用的“超材料”系统。这类材料的基本特征是通过和电磁波波长相当的尺度上的人工周期性性结构对一定频段的电磁波形成“带隙”，类似与半导体的晶体结构对电子物质波的调制而形成电子能带带隙一样。这类材料已在一些信息器件中获得了应用。本文主要目的是论述光子晶体的相关研究进展，在此基础上,简单介绍其他几类超材料。本文分为三部分内容进行叙述:光子晶体的概念及特性；光子晶体的制备与应用；其他几类超材料的简单介绍。2.光子晶体的概念及特性2.1光子晶体概述光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。1987年,E.Yallonovitch［i］和S.John［2］在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体（又称光子禁带材料）的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。由于光子在光子晶体中的行为类似于电子在天然晶体（从某种意义上来说可以叫做电子晶体）中的行为，固体物理中的许多概念都可用在光子晶体上，如倒格子、布里渊区、色散关系、Bloch函数、VanHove奇点等。由于周期性，对光子也可以定义有效质量，不过需要指出的是光子晶体与电子晶体有相同的地方也有本质的不同［3］。2.2光子晶体的结构对应于一维、二维、三维方向上电介质周期性排列结构则为一维、二维、三维光子晶体。三种光子晶体的空间结构示意图如图1所示［4］。光子晶体的主要参数是晶格常数,它应与光波波长可比拟。一维光子晶体的常用结构是两种介电常数的介质呈多层周期分布。但这与波动光学中的多层介质膜在概念上有根本区别。也可以做成一维金属一介电光子晶体，它可以呈现在可见波段透明、而在紫外波段和红外波段至微波波段不透明的特性。图1光子晶体空间结构示意图二维光子晶体如图1所示，一般为介电常数s的圆或方形介质柱在介电常数asb的介质中呈二维周期排列，一般排列成六方晶系，通常介质b为空气(sb=1)。当然也可以在介电常数为sb的介质板上钻孔(sa=l)来得到二维周期排列。这种结构的另一个重要参数是填充率f-介质柱截面在晶格截面中的比例。顺便提一句：当光波在周期平面内传播时称为inplane，有垂直于周期平面的波矢分量时，则称为out-of-plane。三维光子晶体的结构应产生完全光子带隙，关键是布里渊区边界各个方向的频率带隙应当重叠。满足这一条件的结构如面心立方(fee),其二个方向上的带隙重迭。2.3光子晶体的特性(1)光子带隙光子晶体的基本特征是具有光子禁带，频率落在禁带中的电磁波是禁止传播的。因为带隙中没有任何态存在，如图2所示。光子带隙依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比，比例愈大愈易出现带隙。光子晶体结构对称性愈差，其能带简并度愈低，愈易出现光子禁带［5］。electronicdispersionpnotoruc血“rm”】图2光子禁带示意图(2)光子局域光子晶体...
