应用物理：二维光子晶体的能带结构和传输特性

susanhans

近年来，光子晶体不仅在传感器、光开关、医学领域取得了广泛的应用，也为化学及生物传感器领域提供了新的检测原理和手段。新疆大学物理科学与技术学院的阿不都热苏力·阿不都热西深入研究了二维光子晶体在液体浓度测量方面的应用。

阿不都热苏力将研究文章发表在汉斯《应用物理》2014年9月期刊上。该研究用平面波展开法，对二维光子晶体的能带结构和传输特性进行了理论分析。结果表明TE模式下的光子带隙随溶液百分浓度的不同而发生变化，也就是光子带隙随溶液百分浓度的增加而变小。

以半导体材硅(Si)为背景介质材料，采取在平面板上空气打孔方式产生光子晶体，待测溶液充入二维圆柱三角形晶格光子晶体中(如图1所示)。由图可知，圆柱空气孔呈三角晶格排列，并且沿轴向无限伸展构成二维周期性阵列，即在Si(ε=11.7)介质材料上钻孔，使空气孔(ε=1)呈二维周期性排列。以禁带宽度较大的三角晶格光子晶体TE模的禁带模型为研究对象，计算了不同百分浓度情况下光子晶体带隙宽度的变化状况。下面利用平面波展开法对它进行数值模拟计算。

由不同百分浓度和介电常数情形下，对三角晶格光子禁带进行数值模拟计算得到了表1所示的禁带宽度。见表1从表可以看出，当注入圆柱空气孔的质量百分浓度由2.5%到20%，而介电常数1.804到1.873变化时，以Si背景的光子晶体都存在较大的光子带隙。计算发现当空气孔的质量百分浓度和介电常数变增大时，三角晶格光子晶体TE模的最大带隙宽度逐渐减少。

将表1中的氯化钾溶液浓度、介电常数和相应带隙宽度的数据进行拟合，得如图3和图4所示的拟合线。由图3可知，当氯化钾溶液的百分浓度较低时，介电常数处于较低点，曲线总体趋势来看，介电常数与溶液百分浓度显著保持线性关系。

由图4可知，在室温下，氯化钾溶液的百分浓度与其光子带隙约呈现线性关系。溶液的百分浓度增大时，其对应的光子带隙最大宽度随之变小，且呈一定的比例关系。而KCl溶液中的百分含量由2.5%增大到20%时，在室温273.1K下的KCl溶液的禁带宽度随溶液浓度的增加而减少。

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本研究的设计中二维三角晶格光子晶体的空气孔内填待测溶液以后，将光子晶体的两侧用两个玻璃片封住(如图5所示)，然后用一定波长的纳光灯照射光子晶体，光子晶体在吸收光后其晶体带隙结构会发生变化，从而会引起透射率的改变，这便是光子晶体传感器的百分浓度检测原理。通过测量透射率的变化或者带隙变化关系来测定溶液的百分浓度。（源自千人智库-EWW140925GS）

宇仲

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