大面积全息光子晶体模板的制作技术及其在LED中的应用

摘要

目前被人们称为可控制光子流动的半导体——光子晶体，由于其潜在的科学价值和应用前景受到各国科研人员的关注，仅从2003年到2005年，在《Nature》和《Science》两刊物上发表的相关论文达21篇。国内外大学的一些研究小组相继采用不同的方法对光子晶体的结构、理论、制备技术及其崭新的物理性质等进行了研究并取得了重大进展。 牛津大学M．Campbell等人在《Nature》上提出利用全息术制作可见光的三维光子晶体受到了广泛得重视。该方法制作光子晶体直接、成本低、速度快、有实用意义。但全息术实现光子晶体需要三束光(二维)或四束光(三维)干涉，目前国内外普遍采用的制作系统存在着光路复杂、系统稳定性差、所制得的光子晶体面积小等缺点，使其应用仍然局限于实验室中。因此如何实现大面积、廉价、大批量地制备光子晶体，是使其得到真正意义上的应用的唯一途径。本研究针对这个课题从理论到实验方案，对制备方法进行了深入研究，并取得了以下成果： 1．计算模拟分析全息术实现光子晶体过程中，利用光刻胶作为记录介质，将三维结构记录下来的曝光、显影过程；模拟分析光强比、偏振态、对比度等对制作全息光子晶体模板的影响；给出实现fcc结构光子晶体的优化制作参数。 2．提出用双光束干涉多次曝光的方法实现三维结构光子晶体。理论分析证明该方法可实现与四束光同时曝光法相同的三维晶格结构。 3．提出利用全息光学元件(HOE)实现光子晶体结构。对HOE上的全息衍射光栅凹槽深度及其矢量方向与入射光偏振方向的夹角进行最优化设计，给出最佳制作方案并制作出符合fcc结构光子晶体要求的全息衍射光学元件；对制作全息光子晶体模板的记录光路进行优化设计，其中包括对光束比(全息衍射光栅的衍射效率)、曝光量、显影时间等参数的优化设计。根据设计参数，制作出具有fcc结构的全息光子晶体模板。 4．提出一套利用厚玻璃进行折射率匹配的制作系统，消除了在制作三维光子晶体过程中由于记录介质折射率引起的相干光束间夹角减小的问题。 5．提出一套利用HOE制作大面积二维光子晶体的无透镜系统，并利用该系统将二维光子晶体制作于GaN基蓝光发光二极管芯片表面(ITO电流扩展层)，提高了其光提取效率。初步实验证明，无透镜系统用于在发光二极管芯片表面制作大面积二维光子晶体的可行性。 本工作的创新点包括以下三点： 1．首次提出利用双光束三次曝光法制作三维结构的全息光子晶体模板。由于在制作过程中仅使用两束光干涉，排除了对记录光束偏振方向的调整，简化了实验光路。 2．提出利用全息光学元件制作大面积全息光子晶体模板。首次系统地计算分析了全息光栅的衍射效率及衍射光偏振方向与光栅凹槽深度的关系。给出制作某种特定结构光子晶体所需的全息光学元件的设计方案及流程。 3．提出一套制作大面积二维光子晶体的无透镜系统。首次提出采用球面波作为实现二维结构的光源，消除了用于产生平行光的准直透镜对光斑孔径的限制及对光能量的吸收，减小了杂散光的引入。

目录

文摘

英文文摘

厦门大学学位论文原创性声明

第一章 绪论

§1.1光子晶体简介

§1.1.1光子晶体的概念

§1.1.2光子晶体的理论基础

§1.2光子晶体的特征及其应用

§1.2.1光子晶体的特征

§1.2.2光子晶体的应用

§1.3光子晶体的制备方法

§1.3.1精密机械加工法

§1.3.2逐层叠加法

§1.3.3胶体自组织法

§1.3.4反蛋白石结构法

§1.3.5激光全息记录法

§1.4本课题的提出及主要研究内容

[参考文献]

第二章 全息术实现光子晶体的模拟分析

§2.1国内外用全息术实现光子晶体的研究进展

§2.2全息术实现光子晶体的理论基础

§2.3计算机模拟全息光子晶体模板在光刻胶中的制作

§2.3.1光刻胶作为全息记录材料的机理

§2.3.2光刻胶记录光子晶体结构的过程模拟

§2.4本章小结

[参考文献]

第三章 全息光子晶体模板的制作技术

§3.1双光束多次曝光法制作全息光子晶体模板

§3.1.1理论依据

§3.1.2制作工艺

§3.1.3关于该方法的几点讨论

§3.2利用全息光学元件实现光子晶体结构

§3.2.1全息衍射光栅相关参数的选取

§3.2.2 HOE及三维全息光子晶体模板的制作工艺

§3.2.3利用HOE制作二维光子晶体模板

§3.3本章小结

[参考文献]

第四章 制作二维光子晶体的无透镜系统及其在LED中的应用

§4.1利用HOE制作大面积2D光子晶体模板的无透镜系统

§4.2光子晶体提高LED外量子效率的基本原理

§4.3 2D光子晶体在LED表面的制作

§4.3.1在光刻胶中制作2D光子晶体结构

§4.3.2 ITO刻蚀

§4.3.3测试结果与讨论

§4.4本章小结

[参考文献]

第五章 总结与展望

§5.1工作总结

§5.2未来工作讨论

[参考文献]

攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

致谢