第十章微納光電材料及器件10.1納米光電材料及器件納米材料是一種粒子尺寸在0.1到100nm的材料。納米光電材料是指能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能等其它能量的一種納米材料。其中最重要的一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。其原理如下：

納米材料大致可分為納米粉末、一維納米材料、納米膜等。納米粉末：又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。一維納米材料：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。分為納米線和納米管。納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜納米光電材料的性能:小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)

量子尺寸效應(yīng)(QuantumSizeEffect)是指微結(jié)構(gòu)材料的三維尺度中至少有一個(gè)與電子的德布羅意波長或激子波爾半徑相當(dāng)時(shí)，與體材相比，電子失去該方向上的自由度，電子態(tài)呈現(xiàn)量子化分布，表現(xiàn)出費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。

當(dāng)材料某一維度的尺寸小到可與電子的德布洛意波長或激子玻爾半徑相當(dāng)時(shí)，電子和空穴在該方向上的運(yùn)動受到限制，與體材相比，電子失去該方向上的自由度，這樣的體系稱為低維體系，由于這些低維體系呈現(xiàn)出量子化的特征，被稱為量子結(jié)構(gòu)。具有不同維度材料的結(jié)構(gòu)及其態(tài)密度分布圖示意圖畫出了體材料和低維材料的結(jié)構(gòu)及其態(tài)密度分布圖。低維體系包括2維、1維和0維體系，分別在一、二、三個(gè)方向上對電子進(jìn)行限制，由此衍生出超晶格和量子阱、量子線、量子點(diǎn)等低維結(jié)構(gòu)。在低維體系中，電子的局域性和相干性增強(qiáng)，宏觀固體的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失了，出現(xiàn)分立的能帶或能級，這使得低維體系的光、熱、電、磁等物理性質(zhì)與體材料不同。許多新奇的物理性質(zhì)在這些體系中被不斷的揭示出來，因此近年來低維體系的研究越來越受到重視。下面以量子阱結(jié)構(gòu)中CdTe激子特性為例，簡單說明量子尺寸效應(yīng)。下圖給出了不同阱寬的CdTe量子阱結(jié)構(gòu)中激子束縛能和激子波爾半徑的理論計(jì)算結(jié)果。可看出隨著無限深勢阱寬度的減小，量子尺寸效應(yīng)逐漸明顯，激子束縛能增大，激子波爾半徑減小。當(dāng)阱寬小于5nm時(shí)，激子束縛能將大于室溫電離能（26meV）。除了激子效應(yīng)存在明顯的量子效應(yīng)外，半導(dǎo)體的禁帶寬度也隨著材料的尺寸減小而增大。由于量子效應(yīng)的引入，量子結(jié)構(gòu)的磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性都會受到量子尺寸效應(yīng)的不同影響。不同阱寬的CdTe量子阱結(jié)構(gòu)中激子束縛能（a）和激子波爾半徑（b）的理論計(jì)算結(jié)果MaterialsToday,15(11)(2012)508WhyIV-VIcolloidalquantumdots?IV-VIcolloidalquantumdotsareakindofdirectbandgapsemiconductorswithobviousquantumsizeeffect,surfaceeffectandmultipleexcitongeneration(MEG)effect,duetowhichitwaswidelyusedininfraredphotodetectors,biologicaltracers,solarcells,opticalfibercommunicationsandotherfields.Tunableemissionrangefromvisibletonear-infraredwavelengthHighfluorescenceintensity,goodstabilityandlonglife-timeVariousstructuresandsurfaceligands:core-shell,functionalizedandconjugatedJ.Am.Chem.Soc.126(2004)11752小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出新的物理性質(zhì)的變化稱為“小尺寸效應(yīng)”。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。

利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?，此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。小尺寸效應(yīng)1.定義：隨著顆粒尺寸減小到與光波波長（百nm以下）、德布羅意波長、激子玻爾半徑（1-10nm）、超導(dǎo)相干長度（幾nm以下）等物理量相當(dāng)，甚至更?。孩賰?nèi)部晶體周期性邊界條件將被破壞②非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小

特征光譜移動磁有序改變超導(dǎo)相破壞結(jié)構(gòu)相變(非熱力學(xué)量）

…引起宏觀物理性質(zhì)的變化。磁材料的小尺寸效應(yīng)（2）表面與界面效應(yīng)這是指納米晶粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時(shí)，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機(jī)納米粒子會吸附氣體等等。（3）宏觀量子隧道效應(yīng)

宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。這種微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。(4)介電限域效應(yīng)當(dāng)納米粒子分布于一定的介質(zhì)中，若納米粒子的介電常數(shù)和周圍介質(zhì)不同，當(dāng)外界光場作用時(shí)，由于納米粒子折射率與介質(zhì)折射率的差別，在光場中界面處場強(qiáng)會增強(qiáng)，還將導(dǎo)致表面極化和電荷分離。這種局域效應(yīng)對納米材料的光物理

特性和非線性特性有顯著影響，從而影響納米粒子的發(fā)光和非線性光學(xué)性質(zhì)。(5)表面態(tài)效應(yīng)納米粒子隨半徑減小，越來越多的原子處于表面層。表面層原子和體內(nèi)原子有不同的成鍵情況。懸空鍵、表面缺陷比較多，表面態(tài)往往起到猝滅中心的作用。采用包覆的方法可以對表面懸空鍵和表面缺陷加以修復(fù)，得到增益發(fā)光，這說明

表面電子態(tài)強(qiáng)烈影響發(fā)光性質(zhì)。納米光電器件量子點(diǎn)光電器件量子點(diǎn)太陽能電池量子點(diǎn)發(fā)光二極管量子點(diǎn)激光器納米線光電器件

相比于液晶顯示（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED)具有以下優(yōu)勢：(1)量子點(diǎn)（QDs）的發(fā)射光譜可調(diào)且半峰寬窄，支持更廣色域的BT2020標(biāo)準(zhǔn)；(2)啟亮電壓低，有利于功耗的降低；(3)核殼結(jié)構(gòu)易于精細(xì)調(diào)控，從而獲得優(yōu)異的光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性；(4)溶液加工性能好，適用于高通量和低成本的印刷制程。因此，QLED近年來引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

基于有機(jī)空穴傳輸層和無機(jī)電子傳輸層的雜化器件結(jié)構(gòu)（organic/QDs/inorganic），高性能的藍(lán)光、綠光和紅光QLED被相繼報(bào)道。其中，有機(jī)空穴傳輸層主要采用poly-TPD、PVK或PFB等高分子，無機(jī)電子傳輸層主要采用ZnO納米晶或其衍生物。由于ZnO的電子遷移率要大于高分子空穴傳輸材料，電子會在空穴傳輸層/發(fā)光層的界面聚集，導(dǎo)致載流子傳輸不平衡和非輻射Auger復(fù)合。另一方面，ZnO納米晶受環(huán)境影響較大，存在穩(wěn)定性差、難以批量合成和儲存等問題，導(dǎo)致無法兼容量產(chǎn)過程中的噴墨打印工藝。QLED的優(yōu)勢Adv.Funct.Mater.(DOI:10.1002/adfm.202007686)(十八烯)

(TOP,三正辛基膦)這是由于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和躍遷方式不同的原因。光致發(fā)光是吸收光子、通過直接躍遷將電子激發(fā)到高能態(tài)；電致發(fā)光是通過電場驅(qū)動使電子躍遷到高能態(tài)，這里一般需要聲子的幫助，電子進(jìn)入較高能量的導(dǎo)帶底狀態(tài)。如果是間接能隙半導(dǎo)體，則復(fù)合時(shí)釋放出的能量不同，所以發(fā)光波長不同。同一材料的電致發(fā)光和光致發(fā)光光譜相同嗎？不一樣。光致發(fā)光產(chǎn)生的是單重激發(fā)態(tài)，電致發(fā)光產(chǎn)生的是單重激發(fā)態(tài)和三重激發(fā)態(tài)[1]。三重激發(fā)態(tài)（T1）的能量比單重激發(fā)態(tài)（S1）稍低，在具有激子裂變特性的有機(jī)材料中后者是前者的兩倍[2]。因此三重激發(fā)態(tài)電子躍遷的能量變小，光譜出峰的位置發(fā)生紅移。正如評論中所說，“同一材料不同激發(fā)方式，單重態(tài)和三重態(tài)的比例肯定會不一樣”，所以兩種激發(fā)方式產(chǎn)生的光譜不相同。兩者的發(fā)光特征存在明顯差異。以典型的DCM為例，DCM是用作摻雜紅色發(fā)光材料DCJTB的激光色素。DJCTB的光致發(fā)光（PL）效率是78%，波峰在596nm處，半幅寬為100mm[3]。電致發(fā)光（EL）效率與DCM摻雜濃度有密切的關(guān)系，如右圖所示[4]，在最理想的摻雜濃度下（大約為0.5%），DJCTB的電致發(fā)光(EL)效率是2.3%，比沒有摻雜的組件效率大1倍。在摻雜后它的波峰發(fā)生藍(lán)移，呈現(xiàn)的紅光偏黃[5]。

光子晶體指介電常數(shù)(或折射率)周期性變化的一類物質(zhì)，英文PhotonicCrystal，簡稱PC。1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自發(fā)輻射和光子局域時(shí)分別提出光子晶體這一新概念。1991年，Yablonovitch在實(shí)驗(yàn)室中人工制造了第一塊被認(rèn)為具有完全禁帶的三維光子晶體。10.2光子晶體及光子晶體器件E.Yablonovitch,Phys.Rev.Lett.,58(1987)2059-2062S.John,Phys.Rev.Lett.,58(1987)2486-2489光子晶體（photoniccrystal）

是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料，其最根本的特征是具有光子禁帶。

所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。光子晶體圖示

光子晶體概念的產(chǎn)生：

眾所周知，很多的研究都是起源于對自然界不同領(lǐng)域存在類似現(xiàn)象的假設(shè)開始的。因?yàn)橛钪嫒f物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則卻是有著高度一致性。

科學(xué)家們在假設(shè)光子也可以具有類似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的

晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，這種周期勢場的存在，使運(yùn)動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。

相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動。

光子晶體概念的產(chǎn)生：

到1987年，E.Yablonovitch及S.John不約而同地指出：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段的電磁波強(qiáng)度會因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當(dāng)于在頻譜上形成能隙，于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，此即所謂的光子能帶結(jié)構(gòu)(photonicbandstructures)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)(photonicband-gapsystem，簡稱PBG系統(tǒng))，或簡稱光子晶體(photoniccrystals，PhC)。自然界中的光子晶體：光子晶體雖然是個(gè)新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質(zhì)的物質(zhì)。自然界中的光子晶體

盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，而是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲。在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例，其翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果。

翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶2003年，ANDREWR.PARKER等發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部森林甲蟲（Pachyrhynchusargus），它的外殼分布有與蛋白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似物，其具有從任何方向都可見的金屬色澤。

這種棲息于大陸棚上﹐有著刺毛的低等海生無脊椎動物`海毛蟲(seamouse)`具有引人矚目的虹彩。此種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀構(gòu)造物,其具有與光子晶體光纖(photoniccrystalfiber)一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光﹐而發(fā)出鮮明色彩。

固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如右圖所示。光子電子服從方程麥克斯韋（Maxwell）方程薛定諤方程對應(yīng)波矢量波標(biāo)量波自旋自旋為1的玻色子自旋為1/2的費(fèi)米子相互作用沒有很強(qiáng)第一個(gè)功敗垂成的三維光子晶體

遺憾的是，理論學(xué)家稍后指出，上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性(symmetry)之故，在W和U兩個(gè)方向上并非真正沒有能態(tài)存在，只是該頻率范圍內(nèi)的能態(tài)數(shù)目相對較少，因此只具有虛能隙(pseudogap)

1989年，Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實(shí)驗(yàn)上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在。實(shí)驗(yàn)中采用的周期性介電系統(tǒng)是Al2O3塊材中，按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式鉆了將近八千個(gè)球狀空洞，如此形成一個(gè)人造的巨觀晶體。三氧化二鋁和空氣的介電常數(shù)分別為12.5和1.0，面心立方體的晶格常數(shù)是1.27。根據(jù)實(shí)驗(yàn)量得的透射頻譜，所對應(yīng)的三維能帶結(jié)構(gòu)如右圖所示：

最初光子晶體的人工制備：

兩年之后，Yablonovitch等人卷土重來，這回他們調(diào)整制作方式，在塊材上沿三個(gè)夾120度角的軸鉆洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如右圖)，終于打破了對稱的束縛，在微波波段獲得真正的絕對能隙，證實(shí)該系統(tǒng)為一個(gè)光子絕緣體(photonicinsulator)。第一個(gè)具有絕對能隙的光子晶體，及其經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的制作方式基本特性光子晶體通常具有:光子禁帶結(jié)構(gòu)、異常色散和抑制原子的自發(fā)輻射的特點(diǎn)左手材料“左手材料”是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播時(shí)，波矢k、電場E和磁場H之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)。“左手材料”顛倒了物理學(xué)的“右手規(guī)律”，而后者描述的是電場與磁場之間的關(guān)系及其波動的方向。光子晶體器件光子晶體的這些特性可用于光纖通訊、微波器件、光路集成、光開關(guān)、濾波器件等方面。目前，市場上已經(jīng)有基于光子晶體的光纖和波分復(fù)用器件產(chǎn)品。光子晶體光纖

光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個(gè)長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。特點(diǎn)：1.實(shí)現(xiàn)大功率單模激光傳輸；2.寬波段的單模性質(zhì)3.具有良好的色散性質(zhì)4.高的雙折射特性5.可以實(shí)現(xiàn)多芯傳輸

大模場

晶體光纖多模

晶體光纖多模大數(shù)值孔徑

晶體光纖高非線性

晶體光纖保偏非線性

晶體光纖

不同波長的光穿過光纖纖芯的速度也不同?？紤]長距傳輸時(shí)，在信號中就將出現(xiàn)時(shí)間延遲，所以信號就需要在不同的波長編碼。光纖纖芯越粗延遲越厲害，通過這樣的纖維的一個(gè)光脈沖變寬，必將限制能精確接收的數(shù)據(jù)率。傳統(tǒng)光纖的缺點(diǎn)解決的方法還有一種就是采用單模光纖，即盡量減少光纖纖芯的直徑，從而可以只允許一個(gè)模式的光路通過，從而避免上述問題。但同時(shí)成本將大大提高。光子晶體光纖

光子晶體帶隙保證了能量基本無損失，而且不會出現(xiàn)延遲等現(xiàn)象。英國Bath大學(xué)的研究人員用二維光子晶體成功制成新型光纖：由幾百個(gè)傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后燒結(jié)從而形成蜂窩結(jié)構(gòu)亞微米空氣孔。引入額外空氣孔做為導(dǎo)光通道，可導(dǎo)波的范圍很大，從而增加數(shù)據(jù)傳輸量。如圖是目前英國斯溫頓Bath大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性光子晶體光纖實(shí)物圖和傳輸效果圖。(a)普通光纖,(b)-(c)光子晶體光纖利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在芯層形成的缺陷中存在和傳播。能量傳輸基本無損失，也不會出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象。光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸。

一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過周圍介質(zhì)的無數(shù)次的反射，大部分光不能有效地耦合出去，二極管的光輻射效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心置入一塊特制的光子晶體中，并使得該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體的光子禁帶重合，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會進(jìn)入包圍它的光子晶體中，而只能沿著特定設(shè)計(jì)的方向輻射并傳導(dǎo)出去。實(shí)驗(yàn)表明，采用光子晶體后，發(fā)光二極管的效率會從目前的10左右提高到90以上。光子晶體發(fā)光二極管左邊是傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)，可以看到它的全反射，現(xiàn)有的LED臨界度是比較小的；相對的，光子晶體藍(lán)色LED所設(shè)計(jì)出來的LED，由于衍射的關(guān)系，可以修正光的角度，修正后的光可以進(jìn)入臨界角投射到外面，改善過去LED的光會全部反射的問題。

在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。光子晶體LED的效率比一般的LED高出50％。(a)topViewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC日本松下電器第一個(gè)將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)色LED傳統(tǒng)激光器的缺點(diǎn)發(fā)射波長的變化會改變傳輸損耗耦合效率不高輻射角比較大隨功率的增加線寬趨于飽和，并重新展寬激光發(fā)射器

但如果在一塊三維光子晶體的光子禁帶中引入缺陷，然后在其中放置工作物質(zhì)，缺陷態(tài)將構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)，激光發(fā)出的方向?qū)⒀卮朔较颍瑯幼园l(fā)輻射也只能沿此方向，即自發(fā)輻射與激光出射方向角幾乎為零。這樣幾乎所有的自發(fā)輻射都用來激發(fā)已實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)而無其他損失。泵浦的能量幾乎全部用來產(chǎn)生激光，這使激光器閾值降低，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。這種激光器體積小、閾值低，功率高、易于光纖耦合，且可在小區(qū)域密集分布。出現(xiàn)在能隙中的缺陷態(tài)光子晶體激光器頂部和剖面示意圖

1999年，美國加州理工學(xué)院謝勒(A．Scherer)領(lǐng)導(dǎo)的研究組首次報(bào)道了可在室溫下工作且運(yùn)轉(zhuǎn)在1550納米的光子晶體激光器。什么是超材料？10.3超材料及相關(guān)器件超材料(metamaterial)是一種新型人工電磁材料的總稱，它包括尺寸和間距遠(yuǎn)小于工作波長的金屬或介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)。近年來，超材料已成為科學(xué)技術(shù)的研究前沿之一。超材料具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，其物理性質(zhì)不取決于其組成材料本身，而是由單元結(jié)構(gòu)所決定。超材料對物理場具有超強(qiáng)操控能力，因此可以突破傳統(tǒng)材料的物理極限，實(shí)現(xiàn)諸多新穎功能和重要應(yīng)用。超材料的三個(gè)重要特征超材料通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；超材料具有超常的物理性質(zhì)（往往是自然界的材料中所不具備的）；超材料性質(zhì)往往不主要決定于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。

2.常見的超材料及應(yīng)用(1)光子晶體光子晶體由周期性介質(zhì)、金屬電介質(zhì)甚至超導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)組成。與半導(dǎo)體晶體中的周期性電勢影響電子傳播的方式相同，光子晶體的周期性也能夠影響電磁波傳播的方式，存在電子的導(dǎo)帶和禁帶。能帶結(jié)構(gòu)決定了光子晶體的色散特性，不同頻率的波在光子晶體中有不同的傳播特性。與左手特性超材料一樣，光子晶體也能夠通過材料的周期排布實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率特性。光子晶體代表了另一類超材料，具有傳統(tǒng)介質(zhì)所沒有的電磁特性。光子晶體由于其特殊的物理特性，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如光子晶體光纖、光子晶體透鏡和基于光子晶體的激光器等等。(2)雙曲超材料雙曲超材料是一種特殊的表面等離子激元超材料，其具有雙曲型色散和高度各向異性的特點(diǎn)。由其等效電和(或)磁張量決定，磁導(dǎo)率(ε)或介電常數(shù)(μ)張量的一個(gè)方向與其他兩個(gè)方向的符號相反。根據(jù)平行和垂直于各向異性軸分量的符號可以把雙曲材料分為Ⅰ類雙曲材料和Ⅱ類雙曲材料。最近，雙曲超材料已成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。研究方向包括自發(fā)輻射增強(qiáng)、熱傳輸和聲學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。(3)石墨烯超材料2004年，《科學(xué)》雜志發(fā)表了英國曼徹斯特大學(xué)的Novoselov和Geim研究小組的報(bào)告，他們通過用膠帶反復(fù)剝離石墨獲得了原子級厚度的二維石墨烯，這引發(fā)了科學(xué)界的強(qiáng)烈反響。石墨烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，單層石墨烯的厚度僅約為0.34納米。它具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)