金属-氧化铝或氧化钛纳米有序阵列复合结构光子晶体的设计、制备及其光子传输特性研究

In the research project, the reasonable photonic crystal (PC) structures will be firstly designed through the computational simulation in theory; then in experimental, the constant potential and periodic current anodization methods combined with some simple microfabrication technologies will be used to attempt to prepare the porous ordered nanoarray templates for the self-assembling of the 2D and 3D photonic crystals and develop an effective method to introduce defect structure into PC structures. Finally, the metal nanorods or nanotubes will be electrodeposited into the pores in the prepared templates to form the 2D and 3D metal-dielectric composite photonic crystals. The aims of the project are mainly on the following three points: 1) Attempt to prepare the 2D and 3D metal-dielectric composite photonic crystals; 2) Develop the new effective technologies to introduce defect structure in photonic crystals; 3) Obtain the new materials with super low refractive index to form photonic crystals and study the transmission properties of photon in the PC. The research project would have some advantages as following: 1) The metal nanostructure deposited into pores in PC structure would be easily controlled and have good dispersity. 2) The fabrication process would be simple and low cost, and be easily to form corresponding devices. 3) It is possible to obtain the new transparent materials with super low refractive index. 4) The metal nanostructure with rich physical properties would be beneficial to develop optical devices with novel functions.

该申请项目的总体思路是,理论上模拟设计参数合理的光子晶体结构。实验上采用恒压或周期电流阳极氧化工艺,或复合溶胶旋涂工艺，研制适于组装二维和三维光子晶体的多孔AAO(或TiO2)纳米有序阵列模板，并探索在其中引入缺陷结构的方法；尔后采用可控的电化学沉积自组装技术，在选用模板中均匀植入金属纳米棒（或管）。其目的：一则尝试大面积自组装金属-AAO(或金属-TiO2)二维和三维光子晶体，研究光子在其中的传输行为；二则探索其中精确引入缺陷结构的新方法和新工艺；三则研制具有超低折射率的透明材料，用以制备大折射率比的光子晶体，并研究其中光子的传输特性。该研究方案似有如下优点：1）进入模板孔道的金属材料结构精确可控，分散稳定性好；2)制备工艺简便、易大面积生长、结构均匀、成本低、易器件化加工；3）似可调制出超低折射率的透明新材料；4)结构中金属纳米材料丰富的物理特性，益于研发具有新颖传输特性的光子器件。

本项目执行期间（2013.1-2016.12）, 主要针对高维短波光子晶体实验制备的难题，基于对阳极氧化铝（钛）纳米孔（管）有序阵列结构参数的调控，探索制备可见及近红外波段光子晶体的新工艺，并研究其光电性能及应用拓展。取得的研究进展主要在以下四个方面：1）针对光子晶体结构的物理设计、数值模拟及结构参数优化等需求，自主编写了时域有限差分（FDTD）计算程序，设计了以Metal-TiO2、Metal-AAO与Metal-AAO(TiO2)/SiO2等为基材的光子晶体结构、模拟分析了其光学性能。2）基于该项目研究思路，实验研究了具有纳米孔、棒、线、管等形态的有序阵列结构的制备、掺杂及修饰改性等。譬如，制备了TiO2纳米管（棒、孔）、AAO微孔、单晶CuO纳米片、a-Fe2O3纳米棒、NiS纳米管等阵列结构作为光子晶体基材，实现了在气、液、固相条件下的元素（C、N、Cr）及氧空位（Ti3+）的可控掺杂、窄带隙材料（SnO2、CdS）修饰，从而拓展了其光谱响应范围，降低了功函数，改变了折射率和表面自由能等。3）改进阳极氧化技术、优化工艺参数，设计制备高质量的阳极氧化铝（钛）光子晶体。譬如，通过设计阳极氧化脉冲电压波形，调整电解液配方等，显著改善了阳极氧化铝（钛）纳米阵列结构的有序度，成功制备出一维、二维乃至三维光子晶体。其光子带隙在可见及近红外波段可任意调控，并在此基础上实现了溶液浓度传感器和光致发光特性的增强。4）适时拓展了铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，CZTS）、CZTSSe、甲氨基碘化铅（CH3NH3PbI3）钙钛矿薄膜等新材料的合成，以及基于光子晶体的平面、核-壳、同轴异质结等新结构的设计制备、光电性能及其光伏、光催化、场发射和表面润湿应用研究。. 项目执行期间共发表期刊论文38篇，其中SCI收录论文32篇（I区1篇，II区12篇），国内核心期刊6篇, 会议论文13篇, 学位论文14部; 获国家授权发明专利3项; 获甘肃省高校科技进步奖2项; 培养博士研究生1名, 硕士研究生13名. 总之，我们高质量地完成了本项目的研究任务, 实现了预期研究目标.对进一步研发光子晶体基的新型光电器件提供了翔实的科学依据.