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認識光子晶體

 認識光子晶體

  光電所 張宗文助理教授

一、光子能隙簡介

  早在半個世紀前,物理學家就已經知道,晶體 ( 如半導體 ) 中的電子由於受到晶格的週期性位勢 ( periodic potential ) 散射,部份波段會因彼此破壞性、干涉而形成能隙 ( energy gap ),導致電子的色散關係 ( dispersion relation )呈帶狀分佈,此即眾所周知的電子能帶結構 ( electronic band structures )

然而直到西元1987年,Yablonovitch John 才不約而同地指出,類似的現象也存在於光子系統中。在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中,電磁波經介電函數散射後,某些波段的電磁波強度會因破壞性干涉而呈指數衰減,無法在系統內傳遞,相當於在頻譜上形成能隙,於是色散關係也具有帶狀結構,此即所謂的光子能帶結構 ( photonic band structures )。具有光子能帶結構的介電物質,就稱為光能隙系統 ( photonic band-gap system,簡稱 PBG 系統 ),或簡稱光子晶體 ( photonic crystals )  

二、自然界上所觀測到的光子晶體

  自然界中的例子 ( 一 ) :

光子晶體雖然是個新名詞,但自然界中早已存在擁有這種性質的物質,盛產於澳洲的寶石蛋白石( opal ) 即為一例。蛋白石是由二氧化矽奈米球 ( nano-sphere ) 沉積形成的礦物,其色彩繽紛的外觀與色素無關,而是因為它幾何結構上的週期性使它具有光子能帶結構,隨著能隙位置不同,反射光的顏色也跟著變化。

     澳洲蛋白石

  自然界中的例子 ( 二):

在生物界中,也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例,其翅膀上的斑斕色彩,其實是鱗粉上排列整齊的次微米結構,選擇性反射日光的結果。幾年前,科學家發現澳洲海老鼠的毛髮也具有六角晶格結構,此為生物界的光子晶體又添一例。

花間飛舞的蝴蝶   

▲ 鱗粉上排列整齊的次微米結構

三、基本原理

  1. 人造多層系統

事實上,在三維光子能帶結構的概念尚未問世前,層狀介電系統 ( 即一維的光子晶格 ) 已被研究多年,電磁波在該系統中的干涉現象早已應用在各種光學實驗中,做為波段選擇器、濾波器或反射鏡等。例如光學中常見布拉格反射鏡 ( Bragg reflector ),乃是一種四分之一波長多層系統 ( quarter-wave-stack multi-layered system ),說穿了就是簡單的一維光子晶體。儘管如此,這方面的研究卻停留在一維系統的光學性質上,物理界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學系統,也因此遲遲未將固態物理上已發展成熟的能帶理論,運用在這方面。一直到了1989年,Yablonovitch Gmitter 首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在,該實驗雖然功虧一簣,但物理界已注意到其潛力,於是開始大舉投入這方面的研究。

  2. 第一個絕對能隙

Yablonovitch Gmitter 在實驗中採用的週期性介電系統,是在三氧化二鋁 ( Al2O3 )塊材中,按照面心立方 ( face-centered cubic, fcc ) 的排列方式,鑽了將近八千個球狀空洞,這些空洞即所謂的原子,如此形成一個人造的巨觀晶體。 三氧化二鋁和空氣的介電常數分別為 12.5 1.0,面心立方體的晶格常數是 1.27公分。根據實驗量得的透射頻譜,所對應的三維能帶結構如圖所示:其中左斜與右斜線,分別代表兩種不同的偏極化模。由此圖所求得的絕對能隙 ( absolutegap ) 位於15 GHz 的微波範圍,寬度約有 1GHz

透射頻譜三維能帶結構

  兩年之後,Yablonovitch 等人捲土重來,這回他們調整製作方式,在塊材上沿三個,如此得到的 fcc 晶格含有非球形的原子,終於打破了對稱的束縛,在微波波段獲得真正的絕對能隙,證實該系統為一個光子絕緣體 ( photonic insulator )                          

  120度角的軸鑽洞    fcc 晶格含有非球形的原子圖示

3. 缺陷

  雖然只有完美的光子晶體才可能擁有絕對能隙,但就應用的角色來看:科學家對不完美的光子晶體更感興趣,原因就是雜質態 ( impurity state )。實驗上發現,在二維或三維的光子晶體中加入或移去一些介電物質,便可以產生雜質或缺陷 ( defect )

  ▲ 雜質態,點狀缺陷 ( point defect )

 對於一個雜質態而言:由於雜質四周都是光子晶體形成的「禁區」,電磁波在空間分佈上只能侷限在雜質附近,因此,一個點狀缺陷 ( point defect ) 相當於一個微空腔 ( micro-cavity )。如果像圖一樣接連製造幾個點狀缺陷,形成線狀缺陷 ( line defect ),電磁波便可能沿著這些缺陷傳遞,就相當於一個波導 ( waveguide ),甚至有人以它設計成光子晶體光纖 ( photonic crystal fiber )

▲雜質態線狀缺陷(line defect)

4. 光學界的半導體

由於雜質態可以藉改變雜質的大小,或其介電常數而加以調整,因此,只要設計妥當,我們便可按需求製造出具有特定能量,或位於特定空間的雜質態,與半導體藉由攙入雜質,來調整載子性質非常相似,因此,光子晶體又經常被比喻成未來光學界的半導體

利用光子晶體製作光波導圖示

 四、製造方法

近年來科學家發現:多孔性材料中的孔洞,若其孔徑接近光波長,且若具有高度的排列秩序,則該多孔洞材質擁有特殊且高實用性的光學性質,可廣泛應用於光催化、生物載體、吸附、過濾、絕緣、半導體以及微量感應等領域。雖然近年來已有許多科學家發表,利用界面活性劑或是觸媒等方法製作高排列秩序微孔洞(孔徑小於2 nm中孔洞(孔徑小於10 nm)多孔材料的研究;但對於具有高度秩序排列且大尺寸之巨孔洞(1001000 nm)多孔材料製備的方法,仍無確切的實驗方法。巨孔洞多孔結構,由於具有特定的物理結構,因此可使光波在物質中的電磁特性加以改變。Yablonovitch John 1987年同時指出:具有電磁波波長尺度之週期排列介質大小為波長之1/2,也就是遠紅外與可視光之波長大小之1/2300700 nm),可使得電磁波在此具有高度排列秩序的材料中之行為,將有如電子在晶體中可被介質的空間結構、排列週期、結構形式以及介電常數所控制,因此,不需要改變介質本身的化學結構,僅需在介質的波長尺度以及光子能隙進行設計,便可製造出具有不同光特性的產物。此種新式的人工晶體稱為光子晶體 ( photonic crystal ),被視為非常具有潛力的新一代光電材料。

1. 一維、二維及三維光子晶體

光子晶體是在一維、二維或三維架構上具有高度秩序排列的材料,一般所謂的光學多層膜,即是一維架構的光子晶體,已被廣泛地應用在光學鏡片上。而具有二維或是三維高度秩序排列的結構,則是目前在光子晶體領域中,最受到重視的一環。

光子晶體在一維、二維三維架構圖示

2. 傳統光纖製造光子晶體纖維

1999年科學(Science)期刊中,Russell 等人利用將多隻中空的光纖管集合排列後,再以高溫處理的方式將其拉伸,製造出具有高性能的新式光子晶體纖維。近年來,利用此項技術已可製造出多種特性的光子晶體纖維,大幅增進光纖的應用價值。

▲高溫處理方式將其拉伸   ▲多隻中空的光纖管集合排列

3. 光蝕刻技術製造二維及三維光子晶體

利用光蝕刻技術製造二維光子晶體的研究,是目前的研究主流。因為利用光蝕刻技術不但可以精確地製造出高度次序排列的陣列,更可利用光罩的設計來達成光波導的行徑方向。

二維光子晶體高度次序排列的陣列 利用光罩的設計達成光波導的行徑方向

   

▲ 三維光子晶體高度次序排列的陣列

   4. 自組裝(Self –Assembly 製造三維光子晶體

到目前為止,光子晶體的製備多是利用由上而下的蝕刻來製作。該製作的程序不但繁雜亦很難做到三維的結構;相對的,若我們效法生物體利用自組裝生成諸如頭髮、牙齒以及骨頭等模式,採取由分子程度逐步建構至奈米程度的結構,亦即由下而上的方法,可解決上述的問題。

   在目前的科學研究中,以自組裝模式製造三維光子晶體多是採用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯,或是二氧化矽奈米顆粒利用自然、離心、抽濾以及真空等方式,將奈米顆粒製成模板,再於模板上添加無機氧烷單體,使其進行溶膠凝膠反應,最後利用鍛燒與萃取等方式,將有機模板移除,可生成具有光學晶體性質之高度均孔徑之三維光子晶體。

▲ 三維光子晶體之製作方法

▲ 顯微鏡下之結構(一) ▲ 顯微鏡下之結構(二)

 五、結論

由於網際網路的發展,急需新的方法與技術來處理光訊號。為了避免昂貴的元件成本阻礙了光通訊之普及,如何縮小光元件的體積,以利大規模集成、降低元件製作成本,就成為急需突破的瓶頸,而光子晶體將在這方面有很大的貢獻。

使用光子晶體所造出的光通訊元件,適合用積體電路的方法來製造,且可集成光電元件,如此,可大幅降低光通訊元件高昂的成本,讓每一用戶享受到光通訊所帶來巨大頻寬,不斷的經由Internet 產生新的商機,進而改變人類的通信方式與生活品質。

由於電子束微影技術的出現,在光電領域的研究,紛紛使用此一技術與光子晶體之理論結合,使得製作出的元件有更小的體積與更多的變化。光電領域也可擴及其他如生醫,材料等等方面的研究,因此,相信將會對所有相關的學科帶來重大的影響。                       

註:文中專有名詞部分,有相關連結網頁可參考。

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