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千尋の風(fēng)

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[交流] 二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和傳輸特性

　　近年來，光子晶體不僅在傳感器、光開關(guān)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，也為化學(xué)及生物傳感器領(lǐng)域提供了新的檢測原理和手段。新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的阿不都熱蘇力·阿不都熱西深入研究了二維光子晶體在液體濃度測量方面的應(yīng)用。
　　阿不都熱蘇力將研究文章發(fā)表在漢斯《應(yīng)用物理》2014年9月期刊上。該研究用平面波展開法，對(duì)二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和傳輸特性進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明TE模式下的光子帶隙隨溶液百分濃度的不同而發(fā)生變化，也就是光子帶隙隨溶液百分濃度的增加而變小。
　　以半導(dǎo)體材硅(Si)為背景介質(zhì)材料，采取在平面板上空氣打孔方式產(chǎn)生光子晶體，待測溶液充入二維圓柱三角形晶格光子晶體中(如圖1所示)。由圖可知，圓柱空氣孔呈三角晶格排列，并且沿軸向無限伸展構(gòu)成二維周期性陣列，即在Si(ε=11.7)介質(zhì)材料上鉆孔，使空氣孔(ε=1)呈二維周期性排列。以禁帶寬度較大的三角晶格光子晶體TE模的禁帶模型為研究對(duì)象，計(jì)算了不同百分濃度情況下光子晶體帶隙寬度的變化狀況。下面利用平面波展開法對(duì)它進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。
　　由不同百分濃度和介電常數(shù)情形下，對(duì)三角晶格光子禁帶進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算得到了表1所示的禁帶寬度。見表1從表可以看出，當(dāng)注入圓柱空氣孔的質(zhì)量百分濃度由2.5%到20%，而介電常數(shù)1.804到1.873變化時(shí)，以Si背景的光子晶體都存在較大的光子帶隙。計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣孔的質(zhì)量百分濃度和介電常數(shù)變?cè)龃髸r(shí)，三角晶格光子晶體TE模的最大帶隙寬度逐漸減少。
　　將表1中的氯化鉀溶液濃度、介電常數(shù)和相應(yīng)帶隙寬度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得如圖3和圖4所示的擬合線。由圖3可知，當(dāng)氯化鉀溶液的百分濃度較低時(shí)，介電常數(shù)處于較低點(diǎn)，曲線總體趨勢(shì)來看，介電常數(shù)與溶液百分濃度顯著保持線性關(guān)系。
　　由圖4可知，在室溫下，氯化鉀溶液的百分濃度與其光子帶隙約呈現(xiàn)線性關(guān)系。溶液的百分濃度增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的光子帶隙最大寬度隨之變小，且呈一定的比例關(guān)系。而KCl溶液中的百分含量由2.5%增大到20%時(shí)，在室溫273.1K下的KCl溶液的禁帶寬度隨溶液濃度的增加而減少。
本研究的設(shè)計(jì)中二維三角晶格光子晶體的空氣孔內(nèi)填待測溶液以后，將光子晶體的兩側(cè)用兩個(gè)玻璃片封住(如圖5所示)，然后用一定波長的納光燈照射光子晶體，光子晶體在吸收光后其晶體帶隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而會(huì)引起透射率的改變，這便是光子晶體傳感器的百分濃度檢測原理。通過測量透射率的變化或者帶隙變化關(guān)系來測定溶液的百分濃度。(文章源于千人智庫-EWW140925GS)

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1樓 2014-09-25 16:31:46

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