异质结构多孔氧化铝光子晶体不平衡光传输示意图
近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所在多孔氧化铝光子晶体的研究中取得系列进展，具体表现在光与物质的相互作用及其光学性质研究方面，相关成果相继发表在Journal of Materials Chemistry C，Scientific Reports，Journal of Physics D: Applied Physics，Annalen der Physik 和Nano Research 等期刊上。光子晶体(Photonic Crystal)是在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的一类光学材料，与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子晶体能够对特定波长的电磁波进行调制，当光的频率落在光子带隙(Photonic Band Gap)中时，光的传播将被完全禁止。光子晶体是完全依靠其自身结构来实现对光的控制，这在光学器件及未来光子集成方面具有重要意义。因此研究光子晶体中的结构、材料与光子带隙的相互作用是将其应用于新型纳米光子器件、光信息传输和光芯片等领域的基础。 近年来，合肥研究院固体所费广涛课题组致力于多孔氧化铝光子晶体的研究，之前课题组的王彪等人在完整光子晶体的制备、光子带隙的特性研究等方面已经取得了系列进展。近期，课题组的商国亮等人在多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用及光学性质方面又进行了深入的研究，取得了系列进展。
制备出带隙很窄的光子晶体，实现依靠折射率改变来探测的传感器，有望推动传感材料发展。多孔氧化铝光子晶体是通过阳极氧化铝片得到的，在一定的阳极氧化电压作用下，氧化铝孔道在生长方向上直孔和二分叉孔周期性生长，形成直孔层和二分叉孔层的周期结构，因此多孔氧化铝光子晶体是一种纳米尺度周期性的多孔结构。虽然多种结构都能实现光子带隙，但是宽度窄的光子带隙依然很难实现，对于多孔氧化铝光子晶体而言，由于酸性电解液的作用，带隙宽度也通常在几十纳米到几百纳米之间。他们采用补偿电压模式，克服了制备过程中出现的前后结构不均一的困难，制备出具有窄带隙的光子晶体，带隙宽度最小可达几纳米。由于多孔氧化铝光子晶体的这种全介质多孔性结构，他们利用这种光子晶体成功地实现了一种简单的依靠折射率改变的传感器(Mater. Lett. 110，2013, 156-159; J. Mater. Chem. C 1, 2013, 1659-1664; J. Mater. Chem. C 1, 2013, 5285-5291; Chinese J. Chem. Phys. 27, 2014, 121-124)。这种传感方式不同于电信号传感器，光子晶体吸附被探测物时，改变了光子晶体每层的有效介电常数，从而会引起光子带隙位置的改变，通过跟踪光子带隙位置的改变就能得到环境中被探测物量的变化，如果带隙是在可见光范围，整个探测方式就可以完全脱离电信号。相比于电信号探测而言，光信号的探测更加安全可靠，这有望应用于易燃易爆及电致变性等材料的原位探测，使其成为一种具有前景的传感材料。
在多孔氧化铝光子晶体中观察到法诺共振现象，为在新的光学器件中将法诺共振整合到多孔氧化铝光子晶体中以获得更多的潜在应用提供帮助。众所周知，杨氏双缝实验出现的干涉条纹开启了光学的新篇章。同样基于干涉原理，1903年法诺(Ugo Fano)发现的分立态与连续态间的相互作用后来被称作以他名字命名的物理现象——法诺共振(Fano resonance)，其最典型的特征是干涉后出现不对称的线型。法诺共振是一种普遍的物理现象，人们已经在多个领域观察到法诺共振现象。然而，在光子晶体中很难观察到法诺共振现象，这主要是由于光子晶体中的连续态光散射不明显，并且光子带隙比较宽，整个光子晶体中没有表现出很典型的分立态。多孔氧化铝光子晶体是一种纳米尺度周期性的孔结构，这种结构对入射光会产生瑞利散射，同时周期性结构也会对某些光产生强的布拉格散射，这两种光的散射态在一定的范围内将会产生相互作用。他们利用布拉格光散射的窄带隙(最窄处的半高宽为8nm)与多孔材料对光的瑞利散射之间的相互干涉，在多孔氧化铝光子晶体中观察到了不对称性线型，并且通过理论计算确定了这一非对称线型来源于法诺共振(Sci. Rep. 2014, 4, 3601)，在这种材料结构体系中并未见到过相关的前期报道。这一发现有利于进一步理解多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用，由于法诺共振展现出在窄的波长范围内光由透过到光截止，使其成为一种非常好的光学开关等光子器件。同时，该研究对未来在新的光学器件中将法诺共振整合在多孔氧化铝光子晶体中以获得更多的潜在应用提供了帮助。
实现了单向光传输，为方向依赖性光子器件的潜在应用提供基础。单向光传输，顾名思义，是指光经过物体时只能往一个方向传输。由于瑞利散射的存在，光通过多孔氧化铝光子晶体时，会产生光损失，而光经过的路程不同，这种损失就会不同。利用这一性质，他们制备了异质结构的光子晶体，实现了单向光传输(Unidirectional Light Propagation)。对于从样品两侧入射的光而言，进入样品的深度不同，导致光损失不同，从而使得样品从两侧观察时的颜色不同。通过调制多种光子晶体组合，实现了可见光范围全覆盖的单向光传输的样品(Ann. Phys. DOI: 10.1002/andp.201500286)。这为单向光传输提供一种简单可行的方法，这种方法仅需要在体系中引入能量损失。类似于二极管在电学领域的应用，所制备的具有单向光传输的光子晶体可以应用于方向依赖的光子器件。由于文章中展示的单向光传输可以应用于光单向导通器件等方面，以及将来在集成光子芯片中的潜在应用，文章已经受约为《物理年鉴》(Ann. Phys.)杂志的封面文章。
多孔氧化铝光子晶体中的毛细凝聚及光学特性为原位检测存在光损失突变类的转变过程提供了一种新的可行性方案。人们将内径很细的管子叫“毛细管”，粉笔吸墨水，毛巾吸汗，植物的根、茎、叶中传送养料等都是毛细管的毛细现象。毛细凝聚是毛细管的另一个非常重要的特征，它是由于毛细管壁对其中的气体分子的空间局限作用，使得分子间的相互作用增加，造成管中的气液平衡的蒸汽压要小于常规环境中的蒸汽压，物质由气体到液体转变时所需的浓度降低。换句话说，即是由于毛细管非常细，气体会优先在毛细管中发生凝聚形成液体。多孔氧化铝光子晶体作为一种纳米尺度的多孔材料，其中应该同样存在毛细凝聚现象，同时，由于入射光截止带的存在，毛细凝聚现象将会对入射光截止带产生影响。他们研究了多孔氧化铝光子晶体在吸附有机气体时由毛细凝聚导致的一系列光学现象。研究发现，由于毛细凝聚作用，有机气体被吸附到一定程度时会由气相转变成液相，这种相变引起了光损失的转变，在光子带隙上表现为带底透过率由开始的逐步上升转变为下降。通过模拟计算进一步证实，这一转变的拐点与有机气体的气液相变密切相关(Nano Res. DOI: 10.1007/s12274-015-0949-x)。毛细凝聚现象一直以来备受关注，应用范围也十分广泛，例如比表面积分析仪、有机物质萃取分离等。这一研究将为探测相转变及过程，研究材料的物理性质以及拓展材料应用提供一种可能的新途径，也为原位检测存在光损失突变类的转变过程等提供一种新的可行性方案。
在多孔氧化铝光子晶体中引入了缺陷模式，为制备新型的光子器件提供了基础。类似于半导体中的缺陷能级能够改变半导体的某些性质那样，在完整的光子晶体中引入缺陷的话，也会产生缺陷态，这种缺陷态将给人们更广阔的操纵光的空间。简单而言，这种光缺陷模式就像是在一堵墙上打开一扇窗户，光可以通过窗户照到墙的另一边。在光子晶体中，这种缺陷模式是通过在周期结构中加入另外一层物质，从而打开一扇通光的“窗户”。然而，由于材料制备的限制，现阶段可控制备缺陷模式仍然比较困难。基于多孔氧化铝光子晶体的内部结构与施加的氧化电压直接相关，他们通过巧妙地设计阳极氧化过程中的氧化电压，直接原位地在光子晶体的周期性结构中引入了缺陷层，在多孔氧化铝光子晶体中获得了缺陷模式。通过研究发现，缺陷峰与缺陷层结构之间存在着周期性的对应关系，缺陷峰位置随入射角增加会表现出非线性蓝移(J. Phys. D Appl. Phys. 2015, 48, 435304)。这种在光子晶体中引入缺陷峰的方法比其他方法更加简单可靠，将能够更方便地应用于光波导、光学微腔等方面，并且为下一步研究利用缺陷模式制备新型的光子器件提供了一定的基础。
该系列研究有利于进一步理解多孔氧化铝光子晶体中材料、结构与光学性质之间的关系以及多孔氧化铝光子晶体中光与物质的相互作用，对未来开发基于多孔铝光子晶体的新型光学器件及应用于光学集成等方面具有一定的意义。
该系列工作得到国家科技部纳米专项及国家自然科学基金等项目的支持。（来源：中科院合肥物质科学研究院）
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