论文部分内容阅读
作为一种具备频率带隙的周期性电介质结构，光子晶体在很多领域的都引起了科研人员的关注，无容器凝固技术作为能够制备新型的球形非晶、单晶以及亚稳态功能材料的重要方法同样在很多领域得到了大家的重视和研究。在光子晶体结构中一般要求介质组成均匀且介质有较高的折射率，无容器凝固技术和精确的划片技术结合在一起就能够用于制备此类高精度的介质。本文首次将无容器凝固技术中的气动悬浮加热技术应用到三维光子晶体结构的制备当中，通过气动悬浮技术和精确切片划片技术相结合的方法获得大量成分和尺寸均匀，且具有较高折射率的钛氧化合物非晶微球，并通过自组装方法将所得到的非晶微球排列成具有3D蛋白石构造的光子晶体。采用平面波展开法（PWE）计算了当介质微球的折射率不同时，由微球所组成的三维光子晶体的电磁波能带结构，并分析了介质折射率和其所组成的光子晶体带隙位置和宽度的依赖关系。分析结果表明，本文所制备的非晶球组成的3D蛋白石结构的光子晶体形成了不完全带隙结构，在该结构中沿[111]方向上，带隙位于微波波段，且带隙随着介质的折射率的增大而逐渐变窄并且带隙的位置向低频方向移动。利用Mie谐振理论和电磁场仿真软件CST数值模拟相结合的方法计算得到组成三维光子晶体介质球的介电常数，利用太赫兹时域光谱粗略测得组成光子晶体的介质球的折射率，利用矢量网络分析仪测得非晶球所组成的光子晶体的带隙位置。研究结果表明，BaTi2O5非晶球的介电常数约为22，BaTi2O5非晶球所组成的光子晶体的带隙位置在40～44GHz之间，与平面波展开法（PWE）理论模拟的当非晶球介电常数为22时带隙位置（37.2～38GHz）基本吻合。制备得到的La4Ti9O24非晶球的介电常数约为40，平面波展开法理论模拟这种非晶球组成的光子晶体带隙位置为39.7～42.15GHz。本工作的结果表明，无容器凝固技术和切片划片技术相结合的方法能够成功制备尺寸和成分均匀的非晶微球，这些非晶微球能够用于制备三维蛋白石结构光子晶体。通过控制非晶球的尺寸和成分组成就能够调控此类三维光子晶体的带隙位置和宽度，这一方法为制备三维蛋白石结构光子晶体提供了一个新的有效途径。