導(dǎo)讀本文來自X-MOLNews光子晶體（PhotoNicCrystals,PhCs）是一種介電常數(shù)或折射率在可見光波長范圍內(nèi)周期性排列的材料，它可以產(chǎn)生一系列稱....本文來自X-MOLNews

光子晶體（PhotoNic Crystals, PhCs）是一種介電常數(shù)或折射率在可見光波長范圍內(nèi)周期性排列的材料，它可以產(chǎn)生一系列稱為光子帶隙（Photonic Band Gap, PBG）的“禁止”頻率，能量位于禁帶中的光子不能通過介質(zhì)傳播，從而可用來抑制、減慢、限制或引導(dǎo)某些晶格方向的電磁波，可以用于抑制自發(fā)發(fā)射、增強(qiáng)半導(dǎo)體激光器以及光學(xué)元件的集成和小型化制造各種小型化集成光電、量子光學(xué)設(shè)備乃至集成光量子平臺(tái)。

圖1. 光子晶體的三種周期性結(jié)構(gòu)。其晶格大小和可見光波長具有相同的尺度。[1]

自然界中的光子晶體

科學(xué)家合成的光子晶體看似高大上，靈感其實(shí)來自大自然。自然界中蝴蝶翅膀、孔雀翎羽、甲蟲外殼等等閃爍著的彩色金屬光澤，往往都源于光子晶體特殊的周期性納米結(jié)構(gòu)對(duì)于特定波長的選擇性反射。

圖2. 藍(lán)閃蝶、孔雀以及象鼻蟲及其表面SEM圖。

蝴蝶翅膀表面覆蓋著密集的鱗片，這是鱗翅目的特征。藍(lán)色大閃蝶的鱗片結(jié)構(gòu)為典型的一維光子晶體 [2]。鳥類羽毛微觀的周期性條紋結(jié)構(gòu)屬于二維光子晶體，孔雀艷麗的尾羽正是這種類型 [3]。當(dāng)然，甲蟲酷炫的金屬色外殼也拜光子晶體所賜，如上圖中象鼻蟲的金剛石晶格結(jié)構(gòu)外殼，能有效反射綠光而對(duì)其它波長透明 [4]。

除了經(jīng)歷了億萬年演化的生命體之外，自然界還存在其他光子晶體，比如歐泊（Opal）。歐泊又叫蛋白石，這種寶石則因內(nèi)部堆積的SiO2小球而表現(xiàn)出特殊的變彩效應(yīng) [5]，被譽(yù)為寶石的調(diào)色板。古羅馬學(xué)者普林尼曾說：“在一塊歐泊上，你可以看到紅寶石的火焰，紫水晶般的色斑，祖母綠般的綠海，五彩繽紛，渾然一體，美不勝收。”

圖3. 歐泊及其SEM圖。[5]

甚至，很多人最愛的涼菜——醬牛肉——也與光子晶體有緣。一整塊熟牛肉用利刃切開，有沒有發(fā)現(xiàn)有時(shí)切面閃爍著略顯詭異的熒光綠（下圖左）？這其實(shí)要?dú)w因于平整切面密集的肌纖維對(duì)于光線的反射，可以說是二維的光子晶體。沒想到吧，真有人研究了這個(gè)現(xiàn)象并發(fā)表了論文。[6]

圖4. 醬牛肉也能是光子晶體。[6]

光子帶隙

光子晶體最典型的特征就是其光子帶隙。1987年，John[7]和Yablonovitch [8] 預(yù)測(cè)了光子帶隙效應(yīng)，將半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)概念擴(kuò)展到光子學(xué)。在半導(dǎo)體中，穿過有序原子晶格的電子會(huì)經(jīng)歷周期性電位，這種相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能量帶，在該能量帶上電子被禁止向任何方向傳播。就像半導(dǎo)體影響電子的流動(dòng)一樣，光子晶體會(huì)影響光子的流動(dòng)。由于光子晶體內(nèi)部不同電介質(zhì)晶格之間的折射率對(duì)比，光在晶格表面散射/衍射后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的禁帶，從而無法在該區(qū)域內(nèi)傳播。

圖5. 空氣中由介電棒組成的二維光子晶體對(duì)光的完全限制和平滑引導(dǎo)展示，白色圓圈表示介電棒。[9]

折射率對(duì)比度越大，該光子帶隙就越寬。對(duì)于完全光子帶隙，光在各個(gè)方向的傳播都被禁止。相應(yīng)的，部分光子帶隙僅在某些方向上阻止光的傳播。

圖6. 三種不同多層薄膜計(jì)算的光子帶隙與折射率的關(guān)系。[10]

光子晶體的人工合成

為實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的調(diào)制，光子晶體的晶格常數(shù)（即基本晶胞的大小）必須與光的波長相當(dāng)——即0.5 μm的數(shù)量級(jí)。雖然這比原子晶體的晶格常數(shù)大了約千倍，但仍僅為人頭發(fā)直徑約百分之一。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的類似，人造的三維光子晶體常分為蛋白石（即上文提到的歐泊）結(jié)構(gòu)或者反蛋白石（inverse opal, IO）結(jié)構(gòu)，合成方法類似天然蛋白石的自然沉積過程：直徑為幾百納米的二氧化硅小球通過膠體自組裝為面心立方晶格，即蛋白石結(jié)構(gòu)；或者再用另一種光學(xué)材料填滿堆積出的二氧化硅小球集合體的孔隙，再溶解掉二氧化硅，形成多孔的反蛋白石結(jié)構(gòu)。

圖7. (a) 硅反蛋白石結(jié)構(gòu)的 (111) 面和 (b) 金剛石蛋白石結(jié)構(gòu)的 (110) 面的SEM圖像。[11]

面心立方結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)膠體自組裝，而形成四面體配位的金剛石結(jié)構(gòu)則較為困難。Mingxin He等人使用固體聚苯乙烯顆粒與較小的可聚合油制備的甲烷分子狀四面體簇作為膠體基本單元，利用四面體簇上的DNA粘性貼片互相粘合形成空間互鎖進(jìn)行膠體自組裝，從而制備了具有立方金剛石結(jié)構(gòu)的光子晶體模板。[12]

圖8. 立方金剛石結(jié)構(gòu)膠體晶體的自組裝結(jié)晶。[12]

光子晶體的應(yīng)用

光子晶體光纖

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fibers, PCF）是最先被大規(guī)模應(yīng)用的光子晶體材料，由一簇細(xì)小的毛細(xì)管周期性排列制備而成（通常由以二氧化硅為背景材料的氣孔組成），又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖。作為一種二維光子晶體，光子晶體光纖利用內(nèi)部不同排列形式的氣孔對(duì)光的調(diào)制，使光被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播，其導(dǎo)光機(jī)制為全內(nèi)反射導(dǎo)光、光子帶隙導(dǎo)光和反諧振導(dǎo)光等。光子晶體光纖不但比傳統(tǒng)光纖具有更低的損耗，而且可利用其光子帶隙結(jié)構(gòu)在非線性光學(xué)、超精密光學(xué)測(cè)量、量子光學(xué)等領(lǐng)域大展身手。

圖9. 光子晶體光纖的發(fā)展。[13]

集成光子平臺(tái)

受量子隧穿效應(yīng)等影響，隨著晶體管尺寸的越來越小，傳統(tǒng)集成電路發(fā)展逐漸進(jìn)入瓶頸。為了進(jìn)一步推進(jìn)高密度集成和系統(tǒng)性能的進(jìn)步，科學(xué)家們現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向具有更高傳播速率和信息攜帶量的光子而不是電子作為信息載體。利用特定波長的光不能在光子晶體中傳播，卻能在晶體缺陷中傳播的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)各類缺陷實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的塑造與控制——點(diǎn)缺陷起到微腔的作用囚禁光子，線缺陷類似波導(dǎo)，而面缺陷則像完美的鏡子，這種操縱光子的能力為實(shí)現(xiàn)集成光子平臺(tái)提供了可能 [14]。

圖10. 光子集成電路及光子芯片示意圖。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

除了傳統(tǒng)的高性能計(jì)算外，光子芯片也將是未來AI計(jì)算的硬件架構(gòu)，并且是未來量子計(jì)算的候選方案之一。隨著磷化銦、金剛石等新型寬禁帶半導(dǎo)體材料的深入研究，單片大規(guī)模微納光子集成電路必將突破傳統(tǒng)電子技術(shù)的局限，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算性能的重大變革。

其他應(yīng)用

由于光子晶體具有的蛋白石或反蛋白石介孔結(jié)構(gòu)，光子晶體在傳感、催化、吸附、電化學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域也遍地開花。

圖11. (a)分層V2O5 反蛋白石結(jié)構(gòu)（IO）電極的制造過程，將釩醇鹽前體滲透到模板中，然后暴露于水蒸氣中進(jìn)行水解和冷凝，球體去除后產(chǎn)生V2O5反蛋白石結(jié)構(gòu)；(b) 分層V2O5的恒電流特性電極：a. 48 mA g-1 下三個(gè)循環(huán)的放電-充電行為；b. 從48到4800 mA g-1變化的放電曲線。[15]

圖12. (a) 光子晶體微電池設(shè)計(jì)示意圖。(b) 叉指電極的橫截面SEM圖像，左側(cè)是鍍有鎳錫的Ni支架的放大插圖，右側(cè)是鋰化錳氧化物電極。(c) 叉指電極自上而下的SEM圖像。(d) 不同速率的放電曲線。(e) 前15個(gè)循環(huán)的微電池容量。[16]

圖13. (a) CO2敏感反蛋白石薄膜制備和用于CO2氣體傳感機(jī)制示意圖。(b) 用0至4.9 vol%的1 mL CO2-N2混合物鼓泡后，CO2敏感反蛋白石膜在純水中的顏色變化。(c) 光子晶體膜的衍射最大值與 1 mL CO2-N2混合物中CO2分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖。[17]

圖14. (a) TiO2反蛋白石結(jié)構(gòu)（IO）的SEM圖像；(b) 覆蓋納米棒的TiO2 IO結(jié)構(gòu)。(c) IO結(jié)構(gòu)表面納米棒的放大SEM圖像。(d) 納米棒的染料吸附密度與生長時(shí)間的關(guān)系，說明吸收隨著表面積的增加而增加。(e) 包含裸IO和納米棒IO電極的DSSC的J-V曲線。[18]

光子晶體經(jīng)過幾十年的研究已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，在許多領(lǐng)域顯示出巨大優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景，并將進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)現(xiàn)全光信息管理和光電器件設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。但值得注意的是，通過膠體自組裝制備3D光子晶體依然無法滿足高質(zhì)量、大尺寸的要求，不受控制的點(diǎn)線面微觀缺陷仍然是一個(gè)持續(xù)的問題。雖然可以使用光刻技術(shù)來人工控制缺陷的位置與大小，但成本高居不下，而且制造復(fù)合多層或3D結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)面臨著更多困難，這需要研究人員進(jìn)一步攻堅(jiān)克難。

參考文獻(xiàn)：

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（本文由Silas供稿）