反蛋白石結構

反蛋白石結構(in反蛋白石結構闡述　反蛋白石結構(inverse opal)代表了一大類可望實現完全光子帶隙的結構，這種結構只要填充材料的折射率跟周邊的介質（例如空氣）的比值達到一定的數值時，其周期對稱的結構將出現完全光子帶隙。它以SiO2，PS，PMMA等蛋白石為模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前體材料，填充完畢待材料在空隙間礦化後，通過鍛燒、化學腐蝕、溶劑溶解等方法除去初始的SiO2或聚合物模板。原有的模板除去後得到規則排列的球形的空氣孔，空氣的折射率接近1，要求填充材料有高的折射率(如2.8)和所在波長的光學透明。
光子晶體的帶隙越寬，其性能越好。一般而言，光子禁帶會受到晶體的晶格結構及兩種介質的填充率、介電常數比的影響。對於晶格結構，完全禁帶更容易出現在具有近球形第一布里淵區的結構中，因此二維六角結構和三維面心結構能得到較大的帶隙。周期排列的兩種介質的介電常數差越大，布拉格散射越強烈，就越有可能出現光子禁帶。
由已有的研究得知，降低光子晶體的對稱性，可以增大光子晶體的帶隙。球形構成的fcc結構具有很高的對稱性，對稱性引起的能級簡併使它難於產生完全禁帶。為了消除對稱性，在fcc結構的晶胞內引入兩個球形粒子構成diamond結構，能產生很寬的完全禁帶。woodpile結構具有面心四方對稱性，它可以看成是fcc結構沿垂直方向伸長後的結構。通過理論計算發現，fcc結構由於高對稱性引起的能級簡併，除了在背景材料為高介電材料、空氣小球密堆積排列時能產生完全禁帶，其他情況下不產生完全禁帶。diamond結構實際上是基於雙球結構的fcc結構，相比fcc結構，它的對稱性明顯降低，更容易產生完全禁帶。在高介電材料中鑽孔形成的diamond結構比由介質小球在空氣中堆積形成的diamond結構更容易產生完全禁帶，且禁頻寬度和最大帶隙率也都非常理想。woodpile結構是由層層疊加法製作出來的，雖然製作工藝比較複雜，但產生的禁頻寬度和最大帶隙率都比較理想，相比diamond結構，填充率的調節範圍更寬，這給實驗製備的精度要求帶來了方便。同時我們發現，對於不同的三維光子晶體結構，其完全禁帶的寬度和帶隙率都可通過增大介電常數比得到進一步最佳化。目前為止，由於fcc結構易於從蛋白石結構中獲得，而且所需工藝也比之其他較為簡便，是最熱門，研究最深入的反蛋白石結構。
到目前為止，共報導過三種反蛋白石結構，一是殼型結構（SHS），如下圖左，是指絕緣（dielectric）的球殼包圍著空球，是一種不完全的填充；二是剩餘體積結構，是指蛋白石球外圍均被填充；三是Dong等提出的骨架結構，如下圖右，也是一種不完全填充，但由一些不導電的圓柱連線四面體或八面體結構上述構成光子晶體的結構中，以金剛石結構，反蛋白石結構和面心四方結構為主，目前只有反蛋白石結構能不用微加工的工藝來實現。在面心立方結構中，目前有爭議在於核殼型結構（SHS）是否屬於反蛋白石結構，這兩種結構的區別在於空氣球外包覆的殼層是否占據整個空隙，而這會導致填入介質介電常數與其完全帶隙寬度的一些變化，但這種變化影響並不是很大，故本文將核殼結構歸入反蛋白石結構。下圖為幾種主要結構的比較，形成結構的材料為Ge，比較歸一化中心頻率v和頻寬Δ。其中CS表示核殼結構，表中所用數據為核殼結構在該材料下獲得的最寬頻隙。