21世纪最具潜力的新型带隙材料_声子晶体_塔金星.pdfVIP

21世纪最具潜力的新型带隙材料 声子晶体 塔金星 半导体发展中遇到的极大障碍, 使许多研究人 二、声子晶体的分类与结构 员开始研究光子晶体。然而, 声子晶体比光子晶体 根据声子晶体结构在笛卡尔坐标系中 3 个正交 具有更丰富的物理内涵, 它是一种新型声学功能带 方向上的周期性, 可以将声子晶体分为一维声子晶 隙材料。研究声子晶体的重要意义在于其广阔的应 体、二维声子晶体和三维声子晶体, 目前已研究了一 用前景, 而且在研究过程中, 还可能发现新现象和新 些特定结构的声子晶体。一维声子晶体一般针对两 规律, 进而促进物理学的发展。 种或多种 材料组 成的 周期性 复合层 状结构 ( 如图 一、什么是声子晶体 2) 。二维声子晶体一般针对柱体材料中心轴线均平 声子晶体的概念诞生于 20 世纪 90 年代, 是仿 行于空间某一方向, 并将其埋入另一基体材料中形 照光子晶体的概念而命名的。我们都知道, 具有光 成的周期性点阵结构( 如图 3) , 柱体材料可以是中 子禁带的周期性电介质结构功 能材料称为光 子晶 空或实心的, 柱体的横截面通常是圆形, 也可以是正 体, 光子能量落在光子禁带中的光波将被禁止, 不能 方形; 柱体的排列形式可以是正方形排列、三角形排 在光子晶体中传播。通过对光子晶体周期结构及其 列、六边形排列等。三维声子晶体一般针对球形散 缺陷进行设计, 可以人为地调控光子的流动。与之 射体埋入某一 基体材料中所形成的周 期性点阵结 类似, 具有声子禁带的周期性弹性介质结构的功能 构, 其结构 形式可以是体心立 方结构、面心立方结 材料, 称为声子晶体。 构、六角密排结构等( 如图 4) 。 在声子晶体内部, 材料组分( 或称为组元) 的弹 性常数、质量密度等参数呈周期性变化。随着材料 组分填充比、周期结构形式及尺寸的不同, 声子晶体 的弹性波禁带特性也不同。禁带的产生主要取决于 各个单散射体本身的结构与弹性波的相互作用。一 般说来, 非网络型晶格结构形式比网络型晶格结构 形式更易于产生禁带。复合结构中组分的弹性常数 图 1 声子晶体结构示意图 差异越大, 越易于产生禁带。在特定频率弹性波的 激励下, 单个散射体产 生共振, 并与入射波相 互作 用, 使其不能继续传播。 声子晶体具有理想的周期性结构, 对这种理想 周期性结构的破坏一般称之为缺陷。缺陷按其维数 可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。当声子晶体中存 图 2 一维声子晶体 图 3 二维声子晶体 图 4 三维声子晶体 在某种缺陷时, 在其带隙范围内会产生所谓的缺陷 三、声子晶体的潜在应用领域 态, 缺陷态对声子晶体的禁带特性有着重大影响, 因 声子晶体是多门学科交叉、渗透和结合产生的 此对声子晶体缺陷态特性的研究具有重大意义。利 新兴技术, 广受世界各国科研机构的关注,