金属光子晶体中宽禁带物理特性及光学调控机制理论研究

Photonic crystals present advantages in light control due to their controllable band structure. Light control range of photonic crystals is determined by the bandgap, thus searching for wide bandgap photonic crystals has become a research hotspot. Metal photonic crystals have gradually received attention. While the critical issues on physical properties of metallic photonic crystal due to the frequency dependence of dielectric funtion and loss characters in metal medium is still necessary. The regulation mechanism of metallic photonic crystals is also a lack of in-depth theoretical study. Based on the method for calculating the band structure of photonic crystals proposed in the preliminary work, as well as the results, we speculate that metal photonic crystals are easier to obtain photonic band gap, which is beneficial to realize optical control. This project aims at proposing a universal theoretical model for multiple types metal photonic crystals. Then considering the metal loss and calculating the band structure, density of states and field distribution in metal photonic crystals. Searching for the photonic crystal with large bandgap and studying the influence of periodic structure, material and external field on the optical properties of photonic crystals, and the interaction law among these parameters. On these basis, studying the effect of defect structures on photon locality in photonic crystals combined with experiment. The aim of this project is to establish a universial theoretical model for calculating the photo-physical characteristics of photonic crystals. Meanwhile, looking for wide bandgap photonic crystals and exploring their energy band regulation mechanism, providing theoretical instructions for metal photonic crystals to realize light control in micro-nano optical devices such as lasers.

光子晶体能带可控优点使其在光控制方面呈现优势，禁带决定了其光调控范围，寻找宽禁带光子晶体成为研究热点，金属光子晶体逐渐受到重视。但金属吸收损耗与介电函数频率依赖等特点使金属光子晶体光物理特征理论研究还在探索阶段，金属光子晶体能带调控机制缺乏深入理解。基于前期工作中提出的简单正方晶格金属光子晶体计算方法及其结果，推测金属光子晶体易获得宽禁带，本项目致力于1)提出不同晶格金属光子晶体普适的理论计算模型，进一步考虑金属损耗计算金属光子晶体能带结构、态密度、电磁场分布等光物理特征；2)探究晶格结构、周期材料、外电磁场等对光特征的影响及各因素间制衡关系，寻找宽禁带光子晶体体系；3)研究缺陷对光局域的影响，结合光子能带优化缺陷结构实现光调控。希望通过项目实施，建立计算光子晶体光物理特征的普适理论模型，寻找宽禁带光子晶体并探究其能带调控机制，为金属光子晶体在激光器等微纳光学器件中实现光控制提供理论指导。

光子晶体的禁带使其是实现光调控的重要工具，寻找宽禁带光子晶体是实现光控制的一个重要研究方向。本项目提出改进传统的平面波展开方法，使之适用于具有频率依赖的金属光子晶体以及传统的介质光子晶体。然后，将二维光子晶体结构与金属材料结合，计算了多种结构的二维光子晶体的相关性能，包括能带结构、态密度及有效折射率等。随后，研究了能带结构中带隙及其带边对光子晶体的结构参数与材料参数的依赖情况，并发现特殊的宽能带结构。.同时，巨磁电阻效应和隧穿磁阻效应的出现为带来了自旋电子学的蓬勃发展,我们使用二维材料，探索磁隧道结在低维情况下进一步的研究方向，对未来的实验和应用具有较为重要的意义。研究了三种新型磁隧道结，他们相对于传统的隧道结，都具有更小的尺寸，同时也有很优秀的性能：1.以单层CrI3为铁磁层，以单层MoSi2N4为势垒层，以Ag为导线，构建的MTJ具有高于105%的隧穿磁阻；2.使用A型反铁磁材料CrSBr，构建了自选过滤磁隧道结，具有跟简单的结构和很高的隧穿磁阻；3.使用二维Bi2O2Se材料作为隧道势垒，在使用CoFe作为电极时，构建的磁隧道结产生了1300%以上的隧穿磁阻。我们通过分析能带结构、电子透射和界面特性，阐述了其透射的机理。这些结果为高密度、高性能磁隧道结的设计提供了一定的方向和指导。.另外，作为二维半导体家族的新成员，新兴的二维 Janus半导体打破了镜像对称性，近年来引起了相当多的关注。本项目研究了ZnO/MoSSe 范德瓦尔斯异质结（vdWHs）的电子结构及垂直应变和外部电场对其能带结构和排列方式的影响；设计了两个新的Janus结构体系MM'XX'（M,M'=Ga,In; X,X'=S,Se,Te）和In2X2X'（X,X'=S,Se,Te），并系统地研究了其电子结构，光催化性质和压电性质。