论文部分内容阅读
锗具有高的介电常数(ε= 16),在近红外区(λ>1. 87μm)有良好的透过性,使其适合制备完全带隙的三维光子晶体。但是,如何制作周期仅为亚微米量级的可见和近红外波段的Ge三维光子晶体在技术上是一个挑战。化学气相沉积法(CVD)在制备Ge光子晶体中存在设备昂贵、工艺复杂、填充率低和容易形成核壳结构的问题。因此,本论文探索制备Ge光子晶体的新方法,在国际上首次提出离子液体中电沉积法辅助胶体晶体模板法制备Ge三维光子晶体;并系统的研究了在[HMIm]FAP和[EMIm]Tf2N两种离子液体中的电沉积工艺,以及制备态的Ge膜和Ge光子晶体的微观结构、表面价态、介电特性、光谱特性和光致发光特性。本文主要研究内容与结论如下:通过对胶体晶体模板生长过程的机理分析,阐释了在垂直沉积生长的过程中较高的温度可以减少厚度的波动起伏;大的乳液颗粒浓度可以获得厚的湿膜。通过实验结果验证,沉积温度在65℃和体积分数浓度在0.25%的条件下,可以生长出有序度高、表面平整的多层面心立方密堆积的胶体晶体模板。利用飞秒激光微加工法在玻璃基板上刻蚀沟槽的方法可以有效解决胶体晶体微球在生长过程中产生深裂纹的问题。以三个粒径的聚苯乙烯胶体晶体模板为基片,利用磁控溅射法填充Ge;实验结果表明,Ge仅仅在胶体晶体模板的表面处堆积,形成Ge与胶体晶体的复合结构。但是发现Ge膜有遗传生长的现象出现,与胶体晶体模板有相同形态,并对这一现象进行简单解释。利用循环伏安法研究离子液体[HMIm]FAP在ITO玻璃和金基片表面的电化学窗口,利用场发射扫描电镜(SEM)、能量色散谱(EDX)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对Ge薄膜进行形貌、成分和微观结构的表征与分析。实验结果表明,两种不同的基片具有相似的电化学特性;SEM和EDX结果证实,在[HMIm]FAP中可以沉积出Ge膜,并且XRD和Raman谱的结果表明Ge膜为非晶态。利用循环伏安法、SEM和EDX研究了[EMIm]Tf2N中在不同的扫描速率、沉积电位、沉积时间对电沉积Ge膜的影响。利用XPS分析在不同氩离子溅射时间的条件下,锗膜表面的价态变化规律。利用椭偏仪测试Ge膜的光学常数,根据有效介质模型拟合后,获得380-900nm波长范围内的Ge膜的色散关系。利用接触角测试仪、激光共聚焦显微镜、SEM和EDX研究了[HMIm]FAP和[EMIm]Tf2N两种离子液体和胶体晶体模板的润湿特性及电沉积制备Ge光子晶体的微观形貌和元素成分。并且研究Ge光子晶体的光谱和介电特性。研究结果表明,两种离子液体中均能沉积出三维有序的Ge光子晶体,但是[EMIm]Tf2N中的沉积速率高于[HMIm]FAP。沉积获得的Ge光子晶体中存在类似于布喇格光栅的反射特性。基于有效介质理论模型,拟合获得在x、y、z三个方向上380-900nm波长范围内的Ge光子晶体的色散关系。利用聚焦显微拉曼-荧光光谱仪研究了Ge膜、Ge光子晶体和Ge与胶体晶体复合结构的光致发光特性。SEM、XPS和TEM表征Ge光子晶体和Ge复合结构微观形貌和表面价态。研究结果表明,Ge复合结构中有强烈的黄绿发光增强效应。激光热效应对Ge光子晶体和Ge复合结构的发光强度呈现台阶式的影响,并且建立发光能级模型解释此现象。