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甲虫解决困扰科学家的光子晶体谜团

电子工程世界 汤宏琳 编译?? 2008年05月26日 ?? 收藏0

  在为光学计算研究光子晶体时,半导体制造商应该从大自然中获得启示。美国犹他大学研究巴西甲虫的人员称:这种虫子奇异的彩虹色表明了其独特的光子晶格结构——所谓的光子界“冠军”结构。

  钻石拥有这个结构,但他们不能作为光子晶体,因为他们的原子填充特别紧密。通过用柱状分子取代钻石的碳原子间隔,以匹配单一波长的光,甲虫的结构可以解决长期存在于光子晶体中制造三维立体衍射光栅存在的问题。

  美国犹他大学Michael Bartl教授称:“目前,我们通过研究甲虫的鳞片,找到了在更相关材料(无机半导体)中制造同样结构的方式,我们希望2008年夏天公布细节。”

  20世纪90年代以来,当光子晶体逐渐普及,这个理想的结构就因其带隙过滤能力而被选择,这个能力取决于晶格节点的间隔。正如硅带隙使得晶体管不仅能够完成数据通信任务,还可实现放大和计算,同样具带隙的光子晶体应该也能放大和计算光子。光子晶体也可使得太阳能电池更具效率,指导具体波长的光催化化学反应,最终能够制备全光芯片的片上激光器。

  不幸的是,这种处于想像中的光子晶体半导体做起来却不是那么容易。一维和二维光子类似水晶的架构已经通过平面工艺制造步骤制造出来,但是三维光子晶体需要更加烦琐的办法,以至于目前为止收效甚微。

  现在美国犹他大学的研究人员称已经从自然中(一英寸长名为Lamprocyphus augustus象鼻虫的绿色荧光鳞片)找到了好办法。通过将其鳞片解剖为150多个截面,每个用电子显微镜记录,研究人员发现了其建造技术的秘密,称目前可以在半导体中实现这一结构。

  看到绿色

  Bartl说:“甲虫的绿色荧光鳞片通过创建一个带隙操纵光线——能有效反射绿光并对其他波长透明。该架构是三维光子晶格排列,除绿色外的所有其他波长均可通过。”

  甲虫鳞片的总体结构使用与钻石晶格原子一样的对称性,但这些原子被有机材料(甲壳素)制成的圆柱形组建模块取代,其间有空气间隙。甲壳素的组建模块空间使得所有波长通过,除了500nm~550nm(绿色),从而使得甲虫出现绿色荧光。

  研究人员称已经发现了无论从哪个角度看这种材料都可以得到绿色反射的原因,即每200*100微米的鳞片实际上由200层组成。Bartl称这个三维立体的层次结构将单一甲壳素分子和超级分子扩展成了圆柱组建模块。

  经过对甲壳素有机晶体结构广泛的计算机分析,研究人员得到一个预测模型,该模型可以预测光子晶体的绿色反射能力(利用其节点的形状、晶格周期、间隔和其他参数)。研究人员希望使用该模型为透明半导体材料设计出新的光子特性。其构想是让模型告诉广大工程师:怎样在平面半导体制造工具中进行三维设计,如逐层分子束外延。


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甲虫? 光子晶体?

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